[go: up one dir, main page]

JP2007158916A - Infrared sensor and method for driving the same - Google Patents

Infrared sensor and method for driving the same Download PDF

Info

Publication number
JP2007158916A
JP2007158916A JP2005353420A JP2005353420A JP2007158916A JP 2007158916 A JP2007158916 A JP 2007158916A JP 2005353420 A JP2005353420 A JP 2005353420A JP 2005353420 A JP2005353420 A JP 2005353420A JP 2007158916 A JP2007158916 A JP 2007158916A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
amplification transistor
insensitive
row
drain
transistor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2005353420A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP4331160B2 (en
Inventor
Hironaga Honda
多 浩 大 本
Ikuo Fujiwara
原 郁 夫 藤
Yoshinori Iida
田 義 典 飯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2005353420A priority Critical patent/JP4331160B2/en
Publication of JP2007158916A publication Critical patent/JP2007158916A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4331160B2 publication Critical patent/JP4331160B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an infrared amplifier capable of storing sufficient electrical charges in the gate of an amplification transistor, during on-periods of a sampling transistor. <P>SOLUTION: This infrared sensor 100 is provided with a row selection circuit 5 for selecting an effective pixel row 120 or non-sensitive pixel row 110, a signal line 31 connected to pixels arrayed in the column direction of an imaging area, the amplification transistor 20 for amplifying the signal of the signal line, a coupling capacity 21 being between the signal line and the amplification transistor, the sampling transistor 25 connected between the gate and the drain of the amplification transistor, a storage capacity 221 connected to the drain of the amplification transistor, and a readout circuit 6 for reading a signal voltage stored in the storage capacity. A first selection period for the row selection circuit to select the non-sensitive pixel row is longer than a second selection period for the row selection circuit to select the effective pixel row. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は赤外線センサおよびその駆動方法に関する。   The present invention relates to an infrared sensor and a driving method thereof.

赤外線は、可視光よりも煙、霧に対して透過性が高いという特長を有するので、赤外線撮像は、昼夜にかかわらず可能である。また、赤外線撮像は、被写体の温度情報をも得ることができるので、防衛分野をはじめ監視カメラや火災検知カメラのように広い応用範囲を有する。   Since infrared rays have a feature of being more permeable to smoke and fog than visible light, infrared imaging is possible regardless of day or night. In addition, since infrared imaging can also obtain temperature information of a subject, it has a wide range of applications such as surveillance cameras and fire detection cameras in the defense field.

近年、冷却機構を必要としない「非冷却型赤外線固体撮像素子」の開発が盛んになってきている。非冷却型すなわち熱型の赤外線固体撮像装置は、波長10μ程度の入射赤外線を吸収構造により熱に変換した上で、この微弱な熱により生じる感熱部の温度変化をなんらかの熱電変換手段により電気信号に変換する。非冷却型の赤外線固体撮像装置は、この電気信号を読み出すことで赤外線画像情報を得る。   In recent years, the development of “uncooled infrared solid-state imaging devices” that do not require a cooling mechanism has become active. An uncooled type or thermal type infrared solid-state imaging device converts incident infrared rays having a wavelength of about 10 μm into heat by an absorption structure, and converts the temperature change of the heat-sensitive part caused by the weak heat into an electrical signal by some thermoelectric conversion means. Convert. The uncooled infrared solid-state imaging device obtains infrared image information by reading out this electrical signal.

たとえば、一定の順方向電流を与えることにより温度変化を電圧変化に変換するシリコンpn接合を用いた赤外線センサ(特許文献1)がある。この赤外線センサは、半導体基板としてSOI(Silicon on Insulator)基板を用いることによって、シリコンLSI製造プロセスを用いて量産することができるという特長がある。また、熱電変換手段であるシリコンpn接合の整流特性を利用して、行選択の機能を実現しているので画素構造が極めてシンプルに構成できるという特長もある。   For example, there is an infrared sensor using a silicon pn junction that converts a temperature change into a voltage change by applying a constant forward current (Patent Document 1). This infrared sensor has a feature that it can be mass-produced using a silicon LSI manufacturing process by using an SOI (Silicon on Insulator) substrate as a semiconductor substrate. In addition, since the row selection function is realized by utilizing the rectification characteristics of the silicon pn junction which is the thermoelectric conversion means, there is also a feature that the pixel structure can be configured extremely simply.

赤外線センサの性能をあらわす指標のひとつは、赤外線センサの温度分解能を表現するNETD(Noise Equivalent Temperature Difference(等価雑音温度差))である。NETDを小さくすること、すなわち、雑音に相当する赤外線センサの温度差を小さくすることが重要である。そのためには信号の感度を高くすること、および、雑音を低減することが必要である。
特開2002−300475号公報
One index representing the performance of the infrared sensor is NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) that expresses the temperature resolution of the infrared sensor. It is important to reduce NETD, that is, to reduce the temperature difference of the infrared sensor corresponding to noise. For this purpose, it is necessary to increase the sensitivity of the signal and reduce the noise.
JP 2002-300475 A

特許文献1には、各列の増幅トランジスタのドレインとゲートの間にサンプリングトランジスタをそれぞれ設置し、リファレンス画素行を選択している第一の期間において、このサンプリングトランジスタをオンすることにより、増幅トランジスタのゲート電圧をその閾値に収束させ、しかる後に第二の期間においてサンプリングトランジスタをオフにする。これをVthクランプ処理と呼んでいる。このとき、増幅トランジスタのゲートと信号線の間には結合容量が設けられており、リファレンス画素に印加するバイアス電圧をVdd、リファレンス画素における電圧降下をVref、増幅トランジスタの閾値をVthとすると、Vthクランプ後の結合容量電圧は(Vdd−Vref)−Vthとなる。サンプリングトランジスタは第一の期間以外ではオフとするため、上記結合容量電圧は有効画素読み出し時に一定値に保たれ、有効画素とリファレンス画素との選択電圧差分がカラムアンプゲート電圧にて増幅されることになる。   In Patent Document 1, a sampling transistor is provided between the drain and gate of the amplification transistor in each column, and the amplification transistor is turned on in the first period in which the reference pixel row is selected. The gate voltage is converged to the threshold value, and then the sampling transistor is turned off in the second period. This is called Vth clamp processing. At this time, a coupling capacitor is provided between the gate of the amplification transistor and the signal line. When the bias voltage applied to the reference pixel is Vdd, the voltage drop at the reference pixel is Vref, and the threshold of the amplification transistor is Vth, Vth The coupling capacitance voltage after clamping is (Vdd−Vref) −Vth. Since the sampling transistor is turned off except during the first period, the coupling capacitance voltage is maintained at a constant value when the effective pixel is read, and the selection voltage difference between the effective pixel and the reference pixel is amplified by the column amplifier gate voltage become.

上記Vthクランプ処理の効果として、バイアス成分を除いた微小な信号電圧を高ダイナミックレンジで読み出すことができるほかに、増幅トランジスタゲートに現れる揺らぎの影響を低減することができる。ここで、Vddは、行選択回路が画素に与えるバイアス電圧であり、Vrefは、無感度画素選択時の無感度画素電圧であり、Vthは増幅トランジスタの閾値である。   As an effect of the Vth clamp processing, a minute signal voltage excluding a bias component can be read out in a high dynamic range, and the influence of fluctuation appearing on the amplification transistor gate can be reduced. Here, Vdd is a bias voltage applied to the pixel by the row selection circuit, Vref is an insensitive pixel voltage when the insensitive pixel is selected, and Vth is a threshold value of the amplification transistor.

従来、Vthクランプ処理の期間は、行選択回路が無感度画素行や有効画素行にバイアス電圧Vddを印加する選択期間と等しかった。また、増幅トランジスタのゲート電位が増幅トランジスタの閾値電圧に漸近すると、増幅トランジスタの電流駆動能力が次第に低下していく。このため、Vthクランプ処理の期間に、結合容量電圧を収束させることは困難であった。結合容量電圧および増幅トランジスタのゲート電位が充分に収束していないと、無感度画素選択時に得られる基板温度成分を有効画素選択時に正確に減算できない。このため、基板温度の変化に対して増幅トランジスタのゲインが大きく変化してしまう。また、増幅トランジスタの列間ばらつきによるVthのばらつきが、縦筋ノイズの原因となる。   Conventionally, the period of the Vth clamp processing is equal to the selection period in which the row selection circuit applies the bias voltage Vdd to the insensitive pixel row and the effective pixel row. Further, when the gate potential of the amplification transistor gradually approaches the threshold voltage of the amplification transistor, the current drive capability of the amplification transistor gradually decreases. For this reason, it is difficult to converge the coupling capacitance voltage during the Vth clamp process. If the coupling capacitance voltage and the gate potential of the amplification transistor are not sufficiently converged, the substrate temperature component obtained when the insensitive pixel is selected cannot be accurately subtracted when the effective pixel is selected. For this reason, the gain of the amplification transistor greatly changes with respect to the change in the substrate temperature. Further, the variation in Vth due to the variation between the columns of the amplification transistors causes the vertical stripe noise.

そこで、基板温度の変化を正確にモニタしかつ減算処理することができ、また、入射赤外線に対して十分なゲイン及びダイナミックレンジを確保することができる赤外線センサおよびその駆動方法を提供する。   Therefore, an infrared sensor that can accurately monitor and subtract the change in substrate temperature and can secure a sufficient gain and dynamic range with respect to incident infrared rays and a driving method thereof are provided.

本発明に係る実施形態に従った赤外線センサは、半導体基板上に二次元的に配置され、赤外線を検出する赤外線検出画素からなる有効画素行、および、赤外線の感度を有さない無感度画素からなる無感度画素行を含む撮像領域と、前記撮像領域に行方向に配置され、前記赤外線検出画素および前記無感度画素に接続された複数の行選択線と、前記行選択線に接続され、前記有効画素行または前記無感度画素行を選択してバイアス電圧を印加する行選択回路と、前記撮像領域の列方向に配列され、前記赤外線検出画素および前記無感度画素に接続された複数の信号線と、前記信号線に接続され、前記信号線に発生した信号電圧を増幅する増幅トランジスタと、前記信号線と前記増幅トランジスタのゲートとの間に接続された結合容量と、前記増幅トランジスタのゲートとドレインとの間に接続されたサンプリングトランジスタと、前記増幅トランジスタのドレインに接続され、信号電荷を蓄積する蓄積容量と、前記蓄積容量に蓄積された信号電荷に基づく電圧を読み出す読出し回路とを備え、前記行選択回路が前記無感度画素行を選択し、かつ前記サンプリングトランジスタが前記増幅トランジスタのドレインとゲートを導通させる第1の選択期間は、前記行選択回路が前記有効画素行を選択し、かつ前記増幅トランジスタで増幅された信号電荷を前記蓄積容量へ蓄積する第2の選択期間よりも長く設定されたことを特徴とする。   An infrared sensor according to an embodiment of the present invention is arranged two-dimensionally on a semiconductor substrate and includes an effective pixel row including infrared detection pixels that detect infrared rays, and an insensitive pixel that does not have infrared sensitivity. An imaging region including an insensitive pixel row, a plurality of row selection lines arranged in a row direction in the imaging region, connected to the infrared detection pixel and the insensitive pixel, and connected to the row selection line, A row selection circuit for selecting an effective pixel row or the insensitive pixel row and applying a bias voltage, and a plurality of signal lines arranged in the column direction of the imaging region and connected to the infrared detection pixel and the insensitive pixel An amplification transistor connected to the signal line and amplifying a signal voltage generated on the signal line; a coupling capacitor connected between the signal line and a gate of the amplification transistor; A sampling transistor connected between the gate and drain of the transistor, a storage capacitor connected to the drain of the amplification transistor, and storing a signal charge, and a readout circuit for reading a voltage based on the signal charge stored in the storage capacitor The row selection circuit selects the insensitive pixel row, and the row selection circuit selects the effective pixel row during a first selection period in which the sampling transistor conducts the drain and gate of the amplification transistor. The signal charge selected and amplified by the amplification transistor is set longer than a second selection period in which the signal charge is stored in the storage capacitor.

本発明に係る他の実施形態に従った赤外線センサは、半導体基板上に二次元的に配置され、赤外線を検出する赤外線検出画素からなる有効画素行、および、赤外線の感度を有しない無感度画素からなる複数の無感度画素行を含む撮像領域と、前記撮像領域に行方向に配置され、前記赤外線検出画素および前記無感度画素に接続された複数の行選択線と、前記行選択線に接続され、前記有効画素行または前記複数の無感度画素行を選択してバイアス電圧を印加する行選択回路と、前記撮像領域の列方向に配列され、前記赤外線検出画素および前記複数の無感度画素に接続された複数の信号線と、前記信号線に接続され、前記信号線に発生した信号電圧を増幅する増幅トランジスタと、前記信号線と前記増幅トランジスタとの間に接続された結合容量と、前記増幅トランジスタのゲートとドレインとの間に接続されたサンプリングトランジスタと、前記増幅トランジスタのドレインに接続された、信号電荷を蓄積する蓄積容量と、前記蓄積容量に蓄積された信号電荷に基づく電圧を読み出す読出し回路とを備え、前記行選択回路が前記無感度画素行のうち少なくとも一つを選択し、かつ前記サンプリングトランジスタが前記増幅トランジスタのドレインとゲートを導通させる第1の選択期間は、前記行選択回路が前記有効画素行を選択し、かつ前記増幅トランジスタで増幅された信号電荷を前記蓄積容量へ蓄積する第2の選択期間よりも長く設定され、前記第1の選択期間は、前記行選択回路が前記複数の無感度画素行のうち少なくとも一つの無感度画素行を選択し、かつ前記サンプリングトランジスタが前記増幅トランジスタのドレインとゲートとを導通させる複数の無感度画素行選択期間を含むことを特徴とする。   An infrared sensor according to another embodiment of the present invention includes an effective pixel row that is two-dimensionally arranged on a semiconductor substrate and includes infrared detection pixels that detect infrared rays, and an insensitive pixel that does not have infrared sensitivity. An imaging region including a plurality of insensitive pixel rows, a plurality of row selection lines arranged in a row direction in the imaging region, connected to the infrared detection pixels and the insensitive pixels, and connected to the row selection line A row selection circuit that selects the effective pixel row or the plurality of insensitive pixel rows and applies a bias voltage, and is arranged in a column direction of the imaging region, and is arranged in the infrared detection pixel and the plurality of insensitive pixels. A plurality of connected signal lines, an amplification transistor connected to the signal line and amplifying a signal voltage generated on the signal line, and a coupling connected between the signal line and the amplification transistor A sampling transistor connected between the gate and drain of the amplification transistor, a storage capacitor connected to the drain of the amplification transistor, and a signal charge stored in the storage capacitor. A first reading period in which the row selection circuit selects at least one of the insensitive pixel rows and the sampling transistor makes the drain and gate of the amplification transistor conductive. The row selection circuit selects the effective pixel row and is set longer than a second selection period in which the signal charge amplified by the amplification transistor is stored in the storage capacitor, and the first selection period is: The row selection circuit selects at least one insensitive pixel row from the plurality of insensitive pixel rows, and the sample. Wherein the grayed transistor includes a plurality of non-sensitivity pixel row selection period for conducting the drain and the gate of the amplifying transistor.

本発明に係る実施形態に従った赤外線センサの駆動方法は、半導体基板上に二次元的に配置され、赤外線を検出する赤外線検出画素からなる有効画素行、および、赤外線の感度を有しない無感度画素からなる無感度画素行を含む撮像領域と、前記撮像領域に行方向に配置され、前記赤外線検出画素および前記無感度画素に接続された複数の行選択線と、前記行選択線に接続され、前記有効画素行または前記無感度画素行を選択してバイアス電圧を印加する行選択回路と、前記撮像領域の列方向に配列され、前記赤外線検出画素および前記無感度画素に接続された複数の信号線と、前記信号線に接続され、前記信号線に発生した信号電圧を増幅する増幅トランジスタと、前記信号線と前記増幅トランジスタのゲートとの間に接続された結合容量と、前記増幅トランジスタのゲートとドレインとの間に接続されたサンプリングトランジスタと、前記増幅トランジスタのドレインに接続され、信号電荷を蓄積する蓄積容量と、前記蓄積容量に蓄積された信号電荷に基づく電圧を読み出す読出し回路とを備えた赤外線センサの駆動方法であって、当該駆動方法は、前記行選択回路が前記無感度画素行を選択し、かつ前記サンプリングトランジスタが前記増幅トランジスタのドレインとゲートを導通させる第1の選択期間と、前記行選択回路が前記有効画素行を選択し、かつ前記増幅トランジスタで増幅された信号電荷を前記蓄積容量へ蓄積する第2の選択期間とを含み、前記第1の選択期間は前記第2の選択期間よりも長く設定されたことを特徴とする。   An infrared sensor driving method according to an embodiment of the present invention includes an effective pixel row that is two-dimensionally arranged on a semiconductor substrate and includes infrared detection pixels that detect infrared rays, and insensitivity that does not have infrared sensitivity. An imaging region including insensitive pixel rows composed of pixels, a plurality of row selection lines arranged in the imaging region in the row direction, connected to the infrared detection pixels and the insensitive pixels, and connected to the row selection lines A row selection circuit that selects the effective pixel row or the insensitive pixel row and applies a bias voltage; and a plurality of rows that are arranged in the column direction of the imaging region and are connected to the infrared detection pixel and the insensitive pixel A signal line, an amplification transistor connected to the signal line and amplifying a signal voltage generated in the signal line, and a coupling capacitor connected between the signal line and the gate of the amplification transistor A sampling transistor connected between the gate and drain of the amplification transistor; a storage capacitor connected to the drain of the amplification transistor for storing signal charge; and a voltage based on the signal charge stored in the storage capacitor. An infrared sensor driving method including a readout circuit, wherein the row selection circuit selects the insensitive pixel row, and the sampling transistor makes the drain and gate of the amplification transistor conductive. A first selection period; and a second selection period in which the row selection circuit selects the effective pixel row and stores the signal charge amplified by the amplification transistor in the storage capacitor. The selection period is set longer than the second selection period.

本発明に係る他の実施形態に従った赤外線センサの駆動方法は、半導体基板上に二次元的に配置され、赤外線を検出する赤外線検出画素からなる有効画素行、および、赤外線の感度を有しない無感度画素からなる複数の無感度画素行を含む撮像領域と、前記撮像領域に行方向に配置され、前記赤外線検出画素および前記無感度画素に接続された複数の行選択線と、前記行選択線に接続され、前記有効画素行または前記複数の無感度画素行を選択してバイアス電圧を印加する行選択回路と、前記撮像領域の列方向に配列され、前記赤外線検出画素および前記複数の無感度画素に接続された複数の信号線と、前記信号線に接続され、前記信号線に発生した信号電圧を増幅する増幅トランジスタと、前記信号線と前記増幅トランジスタとの間に接続された結合容量と、前記増幅トランジスタのゲートとドレインとの間に接続されたサンプリングトランジスタと、前記増幅トランジスタのドレインに接続された、信号電荷を蓄積する蓄積容量と、前記蓄積容量に蓄積された信号電荷に基づく電圧を読み出す読出し回路とを備えた赤外線センサの駆動方法であって、当該駆動方法は、前記行選択回路が前記無感度画素行のうち少なくとも一つを選択し、かつ前記サンプリングトランジスタが前記増幅トランジスタのドレインとゲートを導通させる第1の選択期間と、前記行選択回路が前記有効画素行を選択し、かつ前記増幅トランジスタで増幅された信号電荷を前記蓄積容量へ蓄積する第2の選択期間とを含み、前記第1の選択期間は、前記第2の選択期間よりも長く設定されており、前記第1の選択期間は、前記行選択回路が前記複数の無感度画素行のうち少なくとも一つの無感度画素行を選択し、かつ前記サンプリングトランジスタが前記増幅トランジスタのドレインとゲートとを導通させる複数の無感度画素行選択期間を含むことを特徴とする。   An infrared sensor driving method according to another embodiment of the present invention is two-dimensionally arranged on a semiconductor substrate and has no effective pixel row including infrared detection pixels that detect infrared rays, and does not have infrared sensitivity. An imaging region including a plurality of insensitive pixel rows composed of insensitive pixels, a plurality of row selection lines arranged in the imaging region in the row direction and connected to the infrared detection pixels and the insensitive pixels, and the row selection A row selection circuit that is connected to a line and selects the effective pixel row or the plurality of insensitive pixel rows and applies a bias voltage thereto, and is arranged in a column direction of the imaging region, and the infrared detection pixels and the plurality of non-sensing pixels A plurality of signal lines connected to the sensitivity pixel, an amplification transistor connected to the signal line for amplifying a signal voltage generated on the signal line, and connected between the signal line and the amplification transistor A coupling capacitor; a sampling transistor connected between the gate and drain of the amplification transistor; a storage capacitor connected to the drain of the amplification transistor; and a storage capacitor for storing signal charges; An infrared sensor driving method comprising a readout circuit for reading a voltage based on a signal charge, wherein the row selection circuit selects at least one of the insensitive pixel rows and the sampling transistor Includes a first selection period in which the drain and gate of the amplification transistor are electrically connected, and a second selection period in which the row selection circuit selects the effective pixel row and stores the signal charge amplified by the amplification transistor in the storage capacitor. The first selection period is set to be longer than the second selection period, and the first selection period is set to be longer than the second selection period. In the selection period, the row selection circuit selects at least one insensitive pixel row out of the plurality of insensitive pixel rows, and the sampling transistor has a plurality of insensitivities for conducting the drain and the gate of the amplification transistor. It includes a pixel row selection period.

本発明の赤外線センサおよびその駆動方法は、基板温度の変化を正確にモニタしかつ減算処理することができ、また、入射赤外線に対して十分なゲイン及びダイナミックレンジを確保することができる。   The infrared sensor and the driving method thereof of the present invention can accurately monitor and subtract the change in the substrate temperature, and can secure a sufficient gain and dynamic range for the incident infrared rays.

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。   Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. This embodiment does not limit the present invention.

(第1の実施形態)
図1は、本発明に係る第1の実施形態に従った赤外線センサ100の構成を示す回路図である。赤外線センサ100は、半導体基板上に2行2列に配列された4個の画素を含む撮像領域と、撮像領域から得られた信号を増幅する増幅回路AMPC1およびAMPC2とを備えている。撮像領域は、通常、より多くの画素を備えているが、ここでは、便宜的に4画素とする。
(First embodiment)
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of an infrared sensor 100 according to the first embodiment of the present invention. The infrared sensor 100 includes an imaging region including four pixels arranged in two rows and two columns on a semiconductor substrate, and amplification circuits AMPC1 and AMPC2 that amplify signals obtained from the imaging region. The imaging region usually includes more pixels, but here it is assumed to be four pixels for convenience.

撮像領域の第1行目は、赤外線の感度を有しない無感度画素11からなる無感度画素行110である。撮像領域の第2行目は、赤外線を検出する赤外線検出画素12からなる有効画素行120である。各画素は、pn接合4を含む。無感度画素110は、熱的無感度画素または光学的無感度画素のいずれかでよい。熱的無感度画素または光学的無感度画素の構造は後述する。   The first row of the imaging area is an insensitive pixel row 110 made up of insensitive pixels 11 having no infrared sensitivity. The second row of the imaging region is an effective pixel row 120 including infrared detection pixels 12 that detect infrared rays. Each pixel includes a pn junction 4. The insensitive pixel 110 may be either a thermal insensitive pixel or an optical insensitive pixel. The structure of the thermal insensitive pixel or the optical insensitive pixel will be described later.

行選択線301、302は、行方向に配列された画素に接続されている。垂直信号線(以下単に、信号線ともいう)31、32は、列方向に配列された画素に接続されている。行選択線301、302は、pn接合4の一端(アノード側)に接続され、信号線31、32は、pn接合4の他端(カソード側)に接続されている。   The row selection lines 301 and 302 are connected to pixels arranged in the row direction. Vertical signal lines (hereinafter also simply referred to as signal lines) 31 and 32 are connected to pixels arranged in the column direction. The row selection lines 301 and 302 are connected to one end (anode side) of the pn junction 4, and the signal lines 31 and 32 are connected to the other end (cathode side) of the pn junction 4.

行選択線301、302は行選択回路5に接続されている。行選択回路5は、行選択線301、302を介して無感度画素行110および有効画素行120を順番に選択してバイアス電圧Vdを印加する。信号線31、32は、負荷トランジスタ41に接続されている。負荷トランジスタ41は、飽和領域で動作し、そのゲート電圧に応じて、選択されている行の画素に定電流を供給する。即ち、負荷トランジスタ41は、定電流源として作用する。   The row selection lines 301 and 302 are connected to the row selection circuit 5. The row selection circuit 5 sequentially selects the insensitive pixel row 110 and the effective pixel row 120 via the row selection lines 301 and 302 and applies the bias voltage Vd. The signal lines 31 and 32 are connected to the load transistor 41. The load transistor 41 operates in the saturation region, and supplies a constant current to the pixels in the selected row according to the gate voltage. That is, the load transistor 41 acts as a constant current source.

行選択回路50がバイアス電圧Vdを選択行のpn接合4に印加すると、選択行のpn接合4が順バイアスされる。これにより、バイアス電圧Vdからpn接合の電圧降下Vrefを引いたカラム電圧(Vd−Vref)が信号線6に発生する。一方、非選択行のpn接合4は、すべて逆バイアスされているので、行選択線5は信号線6から分離されている。即ち、pn接合4は、画素選択機能を担っているといってもよい。   When the row selection circuit 50 applies the bias voltage Vd to the pn junction 4 of the selected row, the pn junction 4 of the selected row is forward biased. As a result, a column voltage (Vd−Vref) obtained by subtracting the voltage drop Vref of the pn junction from the bias voltage Vd is generated on the signal line 6. On the other hand, the pn junctions 4 of the non-selected rows are all reverse-biased, so that the row selection line 5 is separated from the signal line 6. That is, the pn junction 4 may have a pixel selection function.

赤外線検出画素12は、赤外線を受光すると、画素温度が上昇する。それにより、電圧降下Vrefが低下し、垂直信号線31の電位(Vd−Vref)は高くなる。例えば、被写体温度が1K(ケルビン)変化すると、赤外線検出画素12の温度は約5mK変化する。熱電変換効率を10mV/Kとすると、垂直信号線31の電位は約50μVだけ上昇する。これは、バイアス電圧Vdに比べて非常に小さい。このような低電圧の信号を増幅するために、各列に増幅トランジスタが設けられている。ここで、信号線31および信号線32には、同様の構成を有する増幅回路が接続されているので、便宜的に、信号線31に接続された増幅回路AMPC1の構成のみを説明する。   When the infrared detection pixel 12 receives infrared rays, the pixel temperature rises. As a result, the voltage drop Vref is reduced, and the potential (Vd−Vref) of the vertical signal line 31 is increased. For example, when the subject temperature changes by 1K (Kelvin), the temperature of the infrared detection pixel 12 changes by about 5 mK. If the thermoelectric conversion efficiency is 10 mV / K, the potential of the vertical signal line 31 increases by about 50 μV. This is very small compared to the bias voltage Vd. In order to amplify such a low voltage signal, an amplification transistor is provided in each column. Here, since the amplifier circuit having the same configuration is connected to the signal line 31 and the signal line 32, only the configuration of the amplifier circuit AMPC1 connected to the signal line 31 will be described for convenience.

増幅回路AMPC1では、結合容量21が増幅トランジスタ20のゲートと信号線31との間に接続されている。結合容量21は、増幅トランジスタ20のゲートと信号線31とをDC分離している。サンプリングトランジスタ25が、増幅トランジスタ20のゲートとドレインとの間に接続されている。増幅トランジスタ20のドレインは、スイッチトランジスタ26を介してノードN1に接続されている。蓄積容量221は、ノードN1とグランドとの間に接続されている。また、ノードN1は、読出しトランジスタ24を介して読出し線33に接続されている。読出しトランジスタ24のゲートは、配線341を介して読出し回路6に接続されている。リセットトランジスタ23はリセット電圧Vrsと蓄積容量221の第1の電極との間に接続されている。   In the amplifier circuit AMPC1, the coupling capacitor 21 is connected between the gate of the amplifier transistor 20 and the signal line 31. The coupling capacitor 21 DC separates the gate of the amplification transistor 20 and the signal line 31. A sampling transistor 25 is connected between the gate and drain of the amplification transistor 20. The drain of the amplification transistor 20 is connected to the node N1 through the switch transistor 26. The storage capacitor 221 is connected between the node N1 and the ground. The node N1 is connected to the read line 33 via the read transistor 24. The gate of the read transistor 24 is connected to the read circuit 6 via the wiring 341. The reset transistor 23 is connected between the reset voltage Vrs and the first electrode of the storage capacitor 221.

増幅トランジスタ20のゲート電圧Vgは、信号線31の電圧に応じて立ち上がり、それによって、ソース−ドレイン間に増幅電流が流れる。蓄積容量221は、増幅トランジスタ20で増幅された電流を積分する。この蓄積容量221に積分された電荷によって信号電圧Vc1がノードN1に発生する。信号電圧Vc1は、読出し回路6によって読出しトランジスタ24が選択されたときに読出し線33を介して出力電圧Voutとして出力される。読出し回路6は、増幅回路AMPC1およびAMPC2を順次選択するように構成されている。これにより、赤外線センサ100は、信号電圧Vc1およびVc2を順次出力電圧Voutとして読み出すことができる。   The gate voltage Vg of the amplification transistor 20 rises according to the voltage of the signal line 31, whereby an amplification current flows between the source and the drain. The storage capacitor 221 integrates the current amplified by the amplification transistor 20. The signal voltage Vc1 is generated at the node N1 by the electric charge integrated in the storage capacitor 221. The signal voltage Vc1 is output as the output voltage Vout via the read line 33 when the read transistor 24 is selected by the read circuit 6. The read circuit 6 is configured to sequentially select the amplifier circuits AMPC1 and AMPC2. Accordingly, the infrared sensor 100 can sequentially read the signal voltages Vc1 and Vc2 as the output voltage Vout.

図2は、赤外線検出画素12の構造を示す平面図である。図3は、図2の3−3線に沿った赤外線検出画素12の断面図である。熱電変換のためのpn接合を含むセンサ部161は、単結晶シリコン支持基板17の内部に形成された中空構造18の上に設けられ、入射赤外線を吸収する赤外線吸収層191と、熱電変換部となるSOI層192内部のpn接合(以下、熱電変換部という)と、この熱電変換部192を支持している埋め込みシリコン酸化膜層193とから構成されている。   FIG. 2 is a plan view showing the structure of the infrared detection pixel 12. FIG. 3 is a cross-sectional view of the infrared detection pixel 12 taken along line 3-3 in FIG. A sensor unit 161 including a pn junction for thermoelectric conversion is provided on the hollow structure 18 formed inside the single crystal silicon support substrate 17, and an infrared absorption layer 191 that absorbs incident infrared rays, a thermoelectric conversion unit, The pn junction (hereinafter referred to as a thermoelectric conversion part) inside the SOI layer 192 and the buried silicon oxide film layer 193 that supports the thermoelectric conversion part 192 are configured.

また、このセンサ部161を中空構造18上に支持すると共にセンサ部161からの電気信号を出力するための支持部162が設けられている。支持部162内には配線163が設けられており、一方は信号線31と、他方は行選択線301、302と接続されており、信号線31と行選択線301、302は熱電変換部192と電気的に接続されている。   In addition, a support portion 162 for supporting the sensor portion 161 on the hollow structure 18 and outputting an electric signal from the sensor portion 161 is provided. A wiring 163 is provided in the support portion 162, one is connected to the signal line 31 and the other is connected to the row selection lines 301 and 302, and the signal line 31 and the row selection lines 301 and 302 are connected to the thermoelectric conversion portion 192. And are electrically connected.

このように、センサ部161及び支持部162が中空構造18上に設けられることにより、入射赤外線によるセンサ部161の温度の変調を効率良く行う構造になっている。なお、図2では、pn接合が2個直列接続される場合の構造を示している。   As described above, by providing the sensor unit 161 and the support unit 162 on the hollow structure 18, the temperature of the sensor unit 161 is efficiently modulated by incident infrared rays. FIG. 2 shows a structure in which two pn junctions are connected in series.

このような構造を有することにより、赤外線検出画素12は、入射赤外線に応じて発生した熱を蓄熱し、この熱に基づいた電圧を信号線31に出力することができる。   By having such a structure, the infrared detection pixel 12 can store heat generated according to incident infrared rays and output a voltage based on the heat to the signal line 31.

行選択線301または302からのバイアス電圧Vdは、配線163を介して熱電変換部192へ伝達される。熱電変換部192の電圧降下を経た信号は、配線163を介して垂直信号線31に伝達される。   The bias voltage Vd from the row selection line 301 or 302 is transmitted to the thermoelectric conversion unit 192 through the wiring 163. The signal that has undergone the voltage drop of the thermoelectric conversion unit 192 is transmitted to the vertical signal line 31 via the wiring 163.

図4は、無感度画素11としての熱的無感度画素の構造を示す平面図である。図5は、図4の6−6線に沿った熱的無感度画素の断面図である。熱的無感度画素は、中空構造18および支持部162を備えていない点で赤外線検出画素12と異なる。従って、熱的無感度画素では、熱電変換部192が支持基板17に接したセンサ部161内に設けられている。pn接合で発生した熱は、その周囲のBOX層193および支持基板17へ放散する。即ち、熱電変換部192とその周囲の構造との熱コンダクタンスは、赤外線検出画素12のそれよりも高い。熱的無感度画素のその他の構成は、赤外線検出画素12の構成と同様であるため、説明を省略する。   FIG. 4 is a plan view showing the structure of a thermally insensitive pixel as the insensitive pixel 11. FIG. 5 is a cross-sectional view of the thermally insensitive pixel along line 6-6 in FIG. The thermal insensitive pixel is different from the infrared detection pixel 12 in that it does not include the hollow structure 18 and the support portion 162. Therefore, in the thermal insensitive pixel, the thermoelectric conversion unit 192 is provided in the sensor unit 161 in contact with the support substrate 17. The heat generated at the pn junction is dissipated to the surrounding BOX layer 193 and the support substrate 17. That is, the thermal conductance between the thermoelectric converter 192 and the surrounding structure is higher than that of the infrared detection pixel 12. The other configuration of the thermal insensitive pixel is the same as the configuration of the infrared detection pixel 12, and thus the description thereof is omitted.

熱的無感度画素は、中空構造18を有しないため、蓄熱機能を有しない。従って、熱的無感度画素は、SOI基板の温度を反映する。このような熱的無感度画素は基板温度測定画素とも呼ばれる。   Since the thermal insensitive pixel does not have the hollow structure 18, it does not have a heat storage function. Therefore, the thermal insensitive pixel reflects the temperature of the SOI substrate. Such a thermally insensitive pixel is also called a substrate temperature measuring pixel.

図6は、赤外線センサ100の駆動手段(駆動方法)を示すタイミング図である。まず、t1〜t2において、リセット動作が実行される。リセット動作では、駆動パルスRSが立ち上がり、図1に示すリセットトランジスタ23がオンになる。リセットトランジスタ23は、リセット電圧VrsとノードN1とを導通させる。このとき、駆動パルスHASELも立ち上がり、スイッチトランジスタ26がオンになる。スイッチトランジスタ26はノードN1と増幅トランジスタ20のドレイン32とを導通させる。これにより、ノードN1および増幅トランジスタ20のドレインの各電位が、リセット電圧Vrsに設定される。蓄積容量221は、リセット電圧Vrsに応じたリセット電荷が蓄積される。以下、このt1〜t2の一連の動作をリセット動作という。   FIG. 6 is a timing chart showing the driving means (driving method) of the infrared sensor 100. First, a reset operation is executed from t1 to t2. In the reset operation, the drive pulse RS rises and the reset transistor 23 shown in FIG. 1 is turned on. The reset transistor 23 makes the reset voltage Vrs and the node N1 conductive. At this time, the drive pulse HASEL also rises and the switch transistor 26 is turned on. The switch transistor 26 makes the node N1 and the drain 32 of the amplification transistor 20 conductive. Thereby, each potential of the node N1 and the drain of the amplification transistor 20 is set to the reset voltage Vrs. The storage capacitor 221 stores reset charges corresponding to the reset voltage Vrs. Hereinafter, a series of operations from t1 to t2 is referred to as a reset operation.

赤外線センサ100は、リセット動作後の状態を基準として信号線31からの信号を検出する。リセット動作は、増幅回路AMPC1およびAMPC2に同時に実行される。蓄積容量221、222の電圧はそれぞれVc1およびVc2とする。   The infrared sensor 100 detects a signal from the signal line 31 on the basis of the state after the reset operation. The reset operation is performed simultaneously on the amplifier circuits AMPC1 and AMPC2. The voltages of the storage capacitors 221 and 222 are Vc1 and Vc2, respectively.

t2において、リセットトランジスタ23およびスイッチトランジスタ26をオフにすると、増幅トランジスタ20のドレイン32は浮遊状態となる。このとき、駆動パルスSMPが立ち上がり、サンプリングトランジスタ25がオンになる。サンプリングトランジスタ25は、増幅トランジスタ20のドレインとゲートとを導通させる。これにより、増幅トランジスタ20のドレインとゲートとは同電位となる。また、同時に、駆動パルスssが立ち上がり、増幅トランジスタ20のソース電位がVsに設定される。さらに、t2において駆動パルスVCLKを立ち上げ、図1の行選択回路5が行選択線301にバイアス電圧Vdを印加する。即ち、第1の選択期間t2〜t3において、行選択回路5は無感度画素行110を選択する。   When the reset transistor 23 and the switch transistor 26 are turned off at t2, the drain 32 of the amplification transistor 20 enters a floating state. At this time, the drive pulse SMP rises and the sampling transistor 25 is turned on. The sampling transistor 25 makes the drain and gate of the amplification transistor 20 conductive. Thereby, the drain and gate of the amplification transistor 20 have the same potential. At the same time, the drive pulse ss rises and the source potential of the amplification transistor 20 is set to Vs. Further, the drive pulse VCLK is raised at t2, and the row selection circuit 5 in FIG. 1 applies the bias voltage Vd to the row selection line 301. That is, in the first selection period t2 to t3, the row selection circuit 5 selects the insensitive pixel row 110.

これにより、第1の選択期間t2〜t3において、図6に示すように、信号線31の電圧VSLは除々に立ち上がり、増幅トランジスタ20のゲート電圧Vgは除々に立ち下がる。このように動作する理由は、次のとおりである。増幅トランジスタ20のゲートとドレインとが同電位であるため、ゲート電圧Vg(ドレイン電圧)とソース電圧との差がVthになるまでドレインからソースへと電流が流れる。増幅トランジスタ20は、Vdrain=Vg>Vg−Vthの関係より、飽和領域で動作している。増幅トランジスタ20のドレイン電圧Vdrainおよびゲート電圧Vgが閾値Vs+Vthに等しくなると、増幅トランジスタ20のソース−ドレイン間の電流の流れは停止する。   Thereby, in the first selection period t2 to t3, as shown in FIG. 6, the voltage VSL of the signal line 31 gradually rises, and the gate voltage Vg of the amplification transistor 20 gradually falls. The reason for this operation is as follows. Since the gate and the drain of the amplification transistor 20 have the same potential, a current flows from the drain to the source until the difference between the gate voltage Vg (drain voltage) and the source voltage becomes Vth. The amplification transistor 20 operates in the saturation region due to the relationship of Vdrain = Vg> Vg−Vth. When the drain voltage Vdrain and the gate voltage Vg of the amplification transistor 20 become equal to the threshold value Vs + Vth, the current flow between the source and the drain of the amplification transistor 20 stops.

ここで、この増幅トランジスタ20のソース−ドレイン間を流れる電流は(Vg−(Vs+Vth))に比例するので、ゲート電圧Vgが閾値Vs+Vthに近づくに従って減少する。よって、t2からt3に移行するに従い、ゲート電圧Vgは閾値Vs+Vthに漸近していく。 Here, since the current flowing between the source and drain of the amplification transistor 20 is proportional to (Vg− (Vs + Vth)) 2 , it decreases as the gate voltage Vg approaches the threshold value Vs + Vth. Therefore, the gate voltage Vg gradually approaches the threshold value Vs + Vth as it shifts from t2 to t3.

定電流Ifに応じた無感度画素11の順方向電圧をVrefとすると、サンプルトランジスタ25がオフ状態である場合に、信号線31の電圧VSLは、Vd−Vrefとなる。ここで、無感度画素11は、熱的無感度画素、即ち、基板温度測定画素であるので、自己加熱成分Vshおよび赤外線信号成分Vsigを含まない。自己加熱成分Vshは、ジュール熱による自己加熱を反映する電圧成分である。赤外線信号成分Vsigは、入射赤外線の吸収による温度上昇に基づいた電圧成分である。   Assuming that the forward voltage of the insensitive pixel 11 corresponding to the constant current If is Vref, the voltage VSL of the signal line 31 is Vd−Vref when the sample transistor 25 is in the off state. Here, since the insensitive pixel 11 is a thermal insensitive pixel, that is, a substrate temperature measuring pixel, it does not include the self-heating component Vsh and the infrared signal component Vsig. The self-heating component Vsh is a voltage component that reflects self-heating due to Joule heat. The infrared signal component Vsig is a voltage component based on a temperature rise due to absorption of incident infrared rays.

信号線31の電圧VSLがVd−Vrefに、増幅トランジスタ20のゲート電圧VgがVth+Vsとなったときに増幅トランジスタ20のゲート→ドレイン→ソースを流れる電流が停止するが、 上述のとおり、ゲート電圧Vgが閾値Vs+Vthに近づくと、増幅トランジスタ20の電流駆動能力が次第に低下する。よって、第1の選択期間t2〜t3が短いと、増幅トランジスタ20のゲートに負電荷を充分に蓄積することができず、式1を満たすことができない。従って、第1の選択期間t2〜t3は、ゲート電圧Vgが閾値Vs+Vthにほぼ等しくなるように長期間に設定する。この第1の選択期間t2〜t3に関しては後述する。   When the voltage VSL of the signal line 31 becomes Vd−Vref and the gate voltage Vg of the amplification transistor 20 becomes Vth + Vs, the current flowing through the gate → drain → source of the amplification transistor 20 is stopped. As described above, the gate voltage Vg Becomes closer to the threshold value Vs + Vth, the current drive capability of the amplification transistor 20 gradually decreases. Therefore, if the first selection period t2 to t3 is short, the negative charge cannot be sufficiently accumulated in the gate of the amplification transistor 20, and the expression 1 cannot be satisfied. Accordingly, the first selection period t2 to t3 is set to a long period so that the gate voltage Vg is substantially equal to the threshold value Vs + Vth. The first selection period t2 to t3 will be described later.

第1の選択期間の後、信号SMPを立ち下げ、サンプリングトランジスタ25をオフにする。これにより、増幅トランジスタ20のゲートは、式1を満たしつつ、浮遊状態になる。   After the first selection period, the signal SMP falls and the sampling transistor 25 is turned off. As a result, the gate of the amplification transistor 20 is in a floating state while satisfying Equation 1.

t3〜t4においては、すべてのトランジスタがオフとなっているが、この期間の長さは水平読み出し回路6がVoutを順次出力していく後述t6〜t7の長さと等しくすることが望ましく、各駆動パルスの周期を一定にすることができる。また、非図示としてあるがこの期間はt6〜t7の期間と同じく、駆動パルスH1およびH2を動作させてもさしつかえない。   During the period from t3 to t4, all the transistors are off, but the length of this period is preferably equal to the length of the later-described t6 to t7 in which the horizontal readout circuit 6 sequentially outputs Vout. The pulse period can be made constant. Although not shown, this period may be the same as the period from t6 to t7, and the drive pulses H1 and H2 may be operated.

次に、t4〜t5において、リセット動作を実行し、再度、増幅トランジスタ20のドレイン電圧をリセット電圧Vrsにする。   Next, at t4 to t5, a reset operation is performed, and the drain voltage of the amplification transistor 20 is set to the reset voltage Vrs again.

続いて、第2の選択期間t5〜t6において、行選択回路5が有効画素行120にバイアス電圧Vdを印加する。これにより、赤外線検出画素12のpn接合には、順方向電圧(Vref−Vsh−Vsig)がかかる。ここで、赤外線検出画素12は、自己加熱成分Vshおよび赤外線信号成分Vsigの分だけ温度が高いため、pn接合には、Vrefよりも(Vsh+Vsig)だけ低い電圧がかかる。従って、信号線31の電圧VSLは、VSL=Vd−Vref+Vsh+Vsigとなる。また、増幅トランジスタ20のゲート電圧Vgは、Vg=(Vd−Vref+Vsh+Vsig)−(Vd−Vref−Vth−Vs)=Vsh+Vsig+Vth+Vsとなる。即ち、ゲート電圧Vgは、閾値Vth+Vsに自己加熱成分Vshおよび赤外線信号成分Vsigを加えた電圧になる。   Subsequently, the row selection circuit 5 applies the bias voltage Vd to the effective pixel row 120 in the second selection period t5 to t6. Thereby, a forward voltage (Vref−Vsh−Vsig) is applied to the pn junction of the infrared detection pixel 12. Here, since the temperature of the infrared detection pixel 12 is higher by the amount of the self-heating component Vsh and the infrared signal component Vsig, a voltage lower than Vref by (Vsh + Vsig) is applied to the pn junction. Therefore, the voltage VSL of the signal line 31 is VSL = Vd−Vref + Vsh + Vsig. The gate voltage Vg of the amplification transistor 20 is Vg = (Vd−Vref + Vsh + Vsig) − (Vd−Vref−Vth−Vs) = Vsh + Vsig + Vth + Vs. That is, the gate voltage Vg is a voltage obtained by adding the self-heating component Vsh and the infrared signal component Vsig to the threshold value Vth + Vs.

増幅トランジスタ20のソース−ドレイン間に流れる電流Idsは、(Vg−Vth)=(Vsh+Vsig+Vs)に比例する。なお、第2の選択期間では、Vs=0としているため、電流Idsは、ソース電圧Vsを変更することによって制御することができる。 The current Ids flowing between the source and drain of the amplification transistor 20 is proportional to (Vg−Vth) 2 = (Vsh + Vsig + Vs) 2 . Note that in the second selection period, since Vs = 0, the current Ids can be controlled by changing the source voltage Vs.

第2の選択期間t5〜t6において信号HASELが立ち上がっているので、スイッチトランジスタ26はオン状態である。従って、蓄積容量221は、ゲート電圧Vgが閾値Vs+Vthから変化するときに、その変化量に基づく電荷を蓄積する。第2の選択期間t5〜t6においてゲート電圧Vgは閾値VthからVs+Vsh+Vsigだけ高い電圧となる。よって、蓄積容量221は、リセット動作後の電荷量を基準として、自己加熱成分Vshおよび赤外線信号成分Vsigのみを増幅した電荷量を蓄積する。蓄積容量221内の電荷量の変化によって、ノードN1の電圧Vc1は、リセット動作後の電位を基準として(Vsh+Vsig)を増幅した電圧だけ変化する。   Since the signal HASEL rises in the second selection period t5 to t6, the switch transistor 26 is in the on state. Therefore, when the gate voltage Vg changes from the threshold value Vs + Vth, the storage capacitor 221 accumulates charges based on the change amount. In the second selection period t5 to t6, the gate voltage Vg is higher than the threshold value Vth by Vs + Vsh + Vsig. Therefore, the storage capacitor 221 stores the charge amount obtained by amplifying only the self-heating component Vsh and the infrared signal component Vsig with reference to the charge amount after the reset operation. Due to the change in the amount of charge in the storage capacitor 221, the voltage Vc1 at the node N1 changes by a voltage obtained by amplifying (Vsh + Vsig) with reference to the potential after the reset operation.

増幅回路AMPC2も、増幅回路AMPC1と同様に動作するので、ノードN2の電圧Vc2は、リセット動作後の電位を基準として(Vsh+Vsig)を増幅した電圧だけ変化する。   Since the amplifier circuit AMPC2 operates in the same manner as the amplifier circuit AMPC1, the voltage Vc2 at the node N2 changes by a voltage obtained by amplifying (Vsh + Vsig) with reference to the potential after the reset operation.

図6に示す信号H1およびH2は、それぞれ読出しトランジスタ24のゲート341および読出しトランジスタ35のゲート342に印加される電圧である。読出し回路6が信号H1およびH2を異なるタイミングで出力することによって、読出しトランジスタ24および35が順次オンになる。これにより、ノードN1の電圧Vc1およびノードN2の電圧Vc2が順に出力電圧Voutとして読み出される。   Signals H1 and H2 shown in FIG. 6 are voltages applied to the gate 341 of the read transistor 24 and the gate 342 of the read transistor 35, respectively. When the read circuit 6 outputs the signals H1 and H2 at different timings, the read transistors 24 and 35 are sequentially turned on. As a result, the voltage Vc1 at the node N1 and the voltage Vc2 at the node N2 are sequentially read as the output voltage Vout.

ここで、図6の第1の選択期間t2〜t3および第2の選択期間t5〜t6に注目されたい。第1の選択期間t2〜t3は、第2の選択期間t5〜t6よりも長い。例えば、第1の選択期間t2〜t3は、行選択回路5がバイアス電圧Vdを印加してから増幅トランジスタ20のゲート電圧Vgが閾値Vs+Vthとほぼ等しくなるまでの期間である。具体例としては、第1の選択期間は100μsecであり、第2の選択期間は25μsecである。   Here, pay attention to the first selection periods t2 to t3 and the second selection periods t5 to t6 in FIG. The first selection period t2 to t3 is longer than the second selection period t5 to t6. For example, the first selection period t2 to t3 is a period from when the row selection circuit 5 applies the bias voltage Vd to when the gate voltage Vg of the amplification transistor 20 becomes substantially equal to the threshold value Vs + Vth. As a specific example, the first selection period is 100 μsec, and the second selection period is 25 μsec.

このように、第1の選択期間(Vthクランプ期間あるいはサンプリング期間ともいう)を第2の選択期間よりも長くすることによって、ゲート電圧Vgを閾値Vs+Vthへ収束させることができる。第1の選択期間後、ゲート電圧Vgが閾値Vs+Vthにほぼ等しい場合、赤外線センサ100は自己加熱成分Vshおよび赤外線信号成分Vsigのみを増幅することができる。その結果、赤外線センサ100は、無感度画素11の順方向電圧Vrefを除去することができ、環境温度の影響を受け難くなる。   As described above, the gate voltage Vg can be converged to the threshold value Vs + Vth by making the first selection period (also referred to as Vth clamp period or sampling period) longer than the second selection period. After the first selection period, when the gate voltage Vg is substantially equal to the threshold value Vs + Vth, the infrared sensor 100 can amplify only the self-heating component Vsh and the infrared signal component Vsig. As a result, the infrared sensor 100 can remove the forward voltage Vref of the insensitive pixel 11 and is hardly affected by the environmental temperature.

無感度画素11として基板温度測定画素を採用している。基板温度測定画素は、図5に示すように半導体基板に中空構造を形成するプロセスを不要とするので、汎用のCMOS製造工程で製造することができる。従って、複数の基板温度測定画素においてpn接合の特性のばらつきが小さい。また、出力電圧Voutは増幅トランジスタ20の閾値Vthの成分を含まないので、赤外線信号成分Vsigが占めるダイナミックレンジを広げることができる。また、出力電圧Voutは増幅トランジスタ20の閾値Vthの成分を含まないと、出力電圧Voutは増幅トランジスタ20の閾値のばらつきに影響されない。その結果、各増幅回路から読み出される信号に現れる縦筋状のノイズが抑制される。   A substrate temperature measurement pixel is employed as the insensitive pixel 11. Since the substrate temperature measurement pixel does not require a process of forming a hollow structure in the semiconductor substrate as shown in FIG. 5, it can be manufactured by a general-purpose CMOS manufacturing process. Therefore, the variation in the characteristics of the pn junction is small among the plurality of substrate temperature measurement pixels. Further, since the output voltage Vout does not include the threshold value Vth component of the amplification transistor 20, the dynamic range occupied by the infrared signal component Vsig can be expanded. Further, if the output voltage Vout does not include a component of the threshold value Vth of the amplification transistor 20, the output voltage Vout is not affected by variations in the threshold value of the amplification transistor 20. As a result, vertical streak noise appearing in the signal read from each amplifier circuit is suppressed.

増幅トランジスタ20のソース電位は、第1の選択期間と第2の選択期間とにおいて異なる。このように、ソース電位Vsを調整可能とすることによって、赤外線センサのゲインを上げることができる。   The source potential of the amplifying transistor 20 is different between the first selection period and the second selection period. Thus, the gain of the infrared sensor can be increased by making the source potential Vs adjustable.

(第2の実施形態)
第2の実施形態は、無感度画素11として光学的無感度画素を採用する。図7は、光学的無感度画素の断面図である。第2の実施形態のその他の構成は、第1の実施形態の構成と同じでよい。
(Second Embodiment)
The second embodiment employs an optical insensitive pixel as the insensitive pixel 11. FIG. 7 is a cross-sectional view of an optical insensitive pixel. Other configurations of the second embodiment may be the same as those of the first embodiment.

光学的無感度画素は、赤外線吸収層191上に、あるいは、赤外線吸収層191に代えて、入射赤外線を反射する赤外線反射層291を備えている点で赤外線検出画素12と異なる。光学的無感度画素のその他の構成は、赤外線検出画素12と同様であるため、説明を省略する。なお、赤外線反射層291は屈折率の高い金属膜等が用いられる。   The optical insensitive pixel is different from the infrared detection pixel 12 in that an infrared reflection layer 291 that reflects incident infrared rays is provided on the infrared absorption layer 191 or in place of the infrared absorption layer 191. Since the other configuration of the optical insensitive pixel is the same as that of the infrared detection pixel 12, the description thereof is omitted. The infrared reflecting layer 291 is made of a metal film having a high refractive index.

赤外線反射層291によって光学的無感度画素は赤外線を吸収しない。また、光学的無感度画素は、赤外線検出画素12と同様に中空構造18を有する。従って、光学的無感度画素は、第1の選択期間(クランプ期間)において自己加熱成分Vshを蓄積容量電圧に反映することができる。   The optically insensitive pixel does not absorb infrared rays by the infrared reflecting layer 291. Further, the optical insensitive pixel has a hollow structure 18 like the infrared detection pixel 12. Therefore, the optical insensitive pixel can reflect the self-heating component Vsh in the storage capacitor voltage in the first selection period (clamping period).

第2の選択期間において、増幅トランジスタ20のソース−ドレイン間に流れる信号電流Idsは、(Vg−Vth)=(Vsig+Vs)に比例する。この電流Idsの式を、第1の実施形態の電流Idsの式と比較すると、自己加熱成分Vshがない。即ち、無感度画素11として光学的無感度画素を採用することによって、本実施形態は、バイアス成分Vdやpn接合の順方向電圧Vrefだけでなく、自己加熱成分Vshをも信号電圧から除去することができる。この信号電流Idsは、赤外線検出信号成分Vsigおよび調整可能であるバイアス成分Vsのみで構成される。従って、第2の実施形態の増幅回路は、赤外線信号成分Vsigが占めるダイナミックレンジをさらに広げることができる。また、第2の実施形態は、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。 In the second selection period, the signal current Ids flowing between the source and the drain of the amplification transistor 20 is proportional to (Vg−Vth) 2 = (Vsig + Vs) 2 . When this current Ids equation is compared with the current Ids equation of the first embodiment, there is no self-heating component Vsh. That is, by adopting an optical insensitive pixel as the insensitive pixel 11, this embodiment removes not only the bias component Vd and the forward voltage Vref of the pn junction but also the self-heating component Vsh from the signal voltage. Can do. This signal current Ids is composed only of an infrared detection signal component Vsig and an adjustable bias component Vs. Therefore, the amplifier circuit of the second embodiment can further expand the dynamic range occupied by the infrared signal component Vsig. Further, the second embodiment can obtain the same effects as those of the first embodiment.

(第3の実施形態)
図8は、本発明に係る第3の実施形態に従った赤外線センサ300の構成を示す回路図である。赤外線センサ300は、無感度画素行110を複数備えている点で第1の実施形態と異なる。第3の実施形態のその他の構成は第1の実施形態と同様であるため説明を省略する。便宜的に、赤外線センサ300は、2行の無感度画素行110を備えているものとする。もちろん、赤外線センサ300は、3行以上の無感度画素行110を備えていてもよい。
(Third embodiment)
FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration of an infrared sensor 300 according to the third embodiment of the present invention. The infrared sensor 300 is different from the first embodiment in that it includes a plurality of insensitive pixel rows 110. Since other configurations of the third embodiment are the same as those of the first embodiment, description thereof is omitted. For convenience, it is assumed that the infrared sensor 300 includes two insensitive pixel rows 110. Of course, the infrared sensor 300 may include three or more insensitive pixel rows 110.

第3の実施形態では、行選択回路5が複数の無感度画素行110a、110bを連続的に順次選択する。これによって、無感度画素行110の選択時間を実質的に有効画素行120の選択時間よりも長くすることができる。   In the third embodiment, the row selection circuit 5 sequentially selects a plurality of insensitive pixel rows 110a and 110b sequentially. Thereby, the selection time of the insensitive pixel row 110 can be made substantially longer than the selection time of the effective pixel row 120.

図9は、赤外線センサ300の駆動手段(駆動方法)を示すタイミング図である。t11〜t12において、第1の実施形態と同様にリセット動作が実行される。第1の無感度画素行選択期間t12〜t13において、行選択回路5は、第1の無感度画素行110aを選択する。第1の無感度画素行選択期間t12〜t13の長さは、有効画素行選択期間t18〜t19の長さと同じでよい。第1の無感度画素行選択期間t12〜t13では、信号線電圧VSLに基づいた充分な電流を、増幅トランジスタ20のソース−ドレイン間に流すことができない。従って、ゲート電圧Vgは、閾値Vs+Vthに接近しているものの、閾値Vs+Vthに等しいとはいえない。   FIG. 9 is a timing chart showing the driving means (driving method) of the infrared sensor 300. From t11 to t12, the reset operation is executed as in the first embodiment. In the first insensitive pixel row selection period t12 to t13, the row selection circuit 5 selects the first insensitive pixel row 110a. The length of the first insensitive pixel row selection period t12 to t13 may be the same as the length of the effective pixel row selection period t18 to t19. In the first insensitive pixel row selection period t12 to t13, a sufficient current based on the signal line voltage VSL cannot be passed between the source and the drain of the amplification transistor 20. Therefore, although the gate voltage Vg is close to the threshold value Vs + Vth, it cannot be said to be equal to the threshold value Vs + Vth.

t13〜t14においては、すべてのトランジスタがオフとなっているが、この期間の長さは水平読み出し回路6がVoutを順次出力していく後述t19〜t20の長さと等しくすることが望ましく、各駆動パルスの周期を一定にすることができる。また、非図示としてあるがこの期間はt19〜t20の期間と同じく、駆動パルスH1およびH2を動作させてもさしつかえない。   During the period from t13 to t14, all the transistors are turned off, but it is desirable that the length of this period is equal to the length of the later-described t19 to t20 in which the horizontal readout circuit 6 sequentially outputs Vout. The pulse period can be made constant. Although not shown, this period may be the same as the period from t19 to t20, and the drive pulses H1 and H2 may be operated.

t14〜t15においてリセット信号RSが立ち上がっているが、スイッチトランジスタ26がオフであるため増幅トランジスタ20のドレイン電位はリセットされない。これは、第1の無感度画素行選択期間t12〜t13において閾値Vs+Vthに接近したゲート電圧Vgを維持するためである。   Although the reset signal RS rises from t14 to t15, the drain potential of the amplification transistor 20 is not reset because the switch transistor 26 is off. This is to maintain the gate voltage Vg approaching the threshold value Vs + Vth in the first insensitive pixel row selection period t12 to t13.

第2の無感度画素行選択期間t15〜t16においては、行選択回路5は、第2の無感度画素行110bを選択する。第2の無感度画素行選択期間t15〜t16の長さは、有効画素行選択期間t18〜t19の長さと同じでよい。第2の無感度画素行選択期間t15〜t16では、信号線電圧VSLに基づいて増幅トランジスタ20のソース−ドレイン間にさらに電流を流す。これにより、第1の無感度画素行選択期間t12〜t13において閾値Vs+Vthに接近したゲート電圧Vgを引き続き閾値Vs+Vthへ接近させる。その結果、ゲート電圧Vgは、閾値Vs+Vthにほぼ等しくなる。   In the second insensitive pixel row selection period t15 to t16, the row selection circuit 5 selects the second insensitive pixel row 110b. The length of the second insensitive pixel row selection period t15 to t16 may be the same as the length of the effective pixel row selection period t18 to t19. In the second insensitive pixel row selection period t15 to t16, further current flows between the source and drain of the amplification transistor 20 based on the signal line voltage VSL. As a result, the gate voltage Vg that has approached the threshold value Vs + Vth in the first insensitive pixel row selection period t12 to t13 continues to approach the threshold value Vs + Vth. As a result, the gate voltage Vg becomes substantially equal to the threshold value Vs + Vth.

t16〜t17はt13〜t14と同じく、全てのトランジスタをオフとし、t19〜t20の長さと等しくする。非図示としてあるがこの期間はt19〜t20の期間と同じく、駆動パルスH1およびH2を動作させてもさしつかえない。   From t16 to t17, as in t13 to t14, all the transistors are turned off, and the length is equal to the length of t19 to t20. Although not shown, this period may be the same as the period from t19 to t20 even if the drive pulses H1 and H2 are operated.

その後、t17〜t20の赤外線センサ300の動作は、図6のt4〜t7までの赤外線センサ100の動作と同様である。   Thereafter, the operation of the infrared sensor 300 from t17 to t20 is the same as the operation of the infrared sensor 100 from t4 to t7 in FIG.

第3の実施形態では、第1の無感度画素行選択期間、第2の無感度画素行選択期間、および、有効画素行選択期間をそれぞれ等しくすることができる。即ち、行選択回路5は、行選択線301〜303に一定のクロックでバイアス電圧Vdを印加すればよい。これは、行選択回路5として単純なシフトレジスタを採用することを可能にする。従って、第3の実施形態は、赤外線センサの回路構成を簡単にすることができる。   In the third embodiment, the first insensitive pixel row selection period, the second insensitive pixel row selection period, and the effective pixel row selection period can be made equal to each other. That is, the row selection circuit 5 may apply the bias voltage Vd to the row selection lines 301 to 303 with a constant clock. This makes it possible to employ a simple shift register as the row selection circuit 5. Therefore, the third embodiment can simplify the circuit configuration of the infrared sensor.

また、複数の無感度画素行を選択することによって、pn接合の順方向電圧Vrefが平均化される。これにより、無感度画素の製造ばらつきを平均化することができる。第3の実施形態は、さらに第1の実施形態の効果を得ることができる。   Further, by selecting a plurality of insensitive pixel rows, the forward voltage Vref of the pn junction is averaged. Thereby, the manufacturing variation of an insensitive pixel can be averaged. The third embodiment can further obtain the effects of the first embodiment.

無感度画素行110内の画素として、光学的無感度画素を採用してもよい。これにより、第3の実施形態は、第2の実施形態の効果をも得ることができる。   As pixels in the insensitive pixel row 110, optical insensitive pixels may be employed. Thereby, 3rd Embodiment can also acquire the effect of 2nd Embodiment.

上記実施形態による赤外線センサは、赤外線カメラに適用することができる。上記実施形態は、従来、基板温度安定化のために必要であったペルチェ素子やカメラ回路での撮像中のシャッター(固定パターン除去)動作が不要となる。   The infrared sensor according to the above embodiment can be applied to an infrared camera. In the above-described embodiment, a shutter (fixed pattern removal) operation during imaging with a Peltier element or a camera circuit, which has been conventionally necessary for stabilizing the substrate temperature, is not necessary.

なお、赤外線カメラは、例えば、図10に示すように、図1の赤外線センサ100のVoutに、増幅装置A、背景除去装置、増幅装置B、A/D変換装置及び画像処理演算装置で構成されている。赤外線カメラの作動方法としては、赤外線センサ100のVoutからの出力信号を増幅装置Aにより増幅し、背景除去装置によりダーク成分を記憶・除去し、増幅装置Bにより再び該信号を増幅し、A/D変換装置によりデジタル信号に変換し、必要に応じて画像処理演算装置において画像補正処理等を行い、表示機器等に出力する。   For example, as shown in FIG. 10, the infrared camera includes an amplification device A, a background removal device, an amplification device B, an A / D conversion device, and an image processing arithmetic device at Vout of the infrared sensor 100 in FIG. 1. ing. As an operation method of the infrared camera, an output signal from Vout of the infrared sensor 100 is amplified by an amplification device A, a dark component is stored and removed by a background removal device, and the signal is amplified again by an amplification device B. The digital signal is converted into a digital signal by the D conversion device, the image processing operation device performs image correction processing or the like as necessary, and the result is output to a display device or the like.

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the components without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.

本発明に係る第1の実施形態に従った赤外線センサ100の構成を示す回路図。1 is a circuit diagram showing a configuration of an infrared sensor 100 according to a first embodiment of the present invention. 赤外線検出画素12の構造を示す平面図。FIG. 3 is a plan view showing the structure of an infrared detection pixel 12. 図2の3−3線に沿った赤外線検出画素12の断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view of the infrared detection pixel 12 taken along line 3-3 in FIG. 2. 無感度画素11としての熱的無感度画素の構造を示す平面図。The top view which shows the structure of the thermal insensitive pixel as the insensitive pixel 11. FIG. 図4の6−6線に沿った熱的無感度画素の断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view of a thermally insensitive pixel along line 6-6 in FIG. 赤外線センサ100の駆動手段(駆動方法)を示すタイミング図。FIG. 3 is a timing chart showing a driving means (driving method) of the infrared sensor 100. 光学的無感度画素の断面図。Sectional drawing of an optical insensitive pixel. 本発明に係る第3の実施形態に従った赤外線センサ300の構成を示す回路図。A circuit diagram showing composition of infrared sensor 300 according to a 3rd embodiment concerning the present invention. 赤外線センサ300の駆動手段(駆動方法)を示すタイミング図。FIG. 5 is a timing chart showing a driving means (driving method) of the infrared sensor 300. 本発明に関わる赤外線センサを用いた赤外線カメラの構成を示す回路図。The circuit diagram which shows the structure of the infrared camera using the infrared sensor in connection with this invention.

符号の説明Explanation of symbols

100 赤外線センサ
110 無感度画素行
120 有効画素行
5 行選択回路
6 読出し回路
20 増幅トランジスタ
21 結合容量
25 サンプリングトランジスタ
31 信号線
221 蓄積容量
100 Infrared sensor 110 Insensitive pixel row 120 Effective pixel row 5 Row selection circuit 6 Reading circuit 20 Amplifying transistor 21 Coupling capacitor 25 Sampling transistor 31 Signal line 221 Storage capacitor

Claims (13)

半導体基板上に二次元的に配置され、赤外線を検出する赤外線検出画素からなる有効画素行、および、赤外線の感度を有さない無感度画素からなる無感度画素行を含む撮像領域と、
前記撮像領域に行方向に配置され、前記赤外線検出画素および前記無感度画素に接続された複数の行選択線と、
前記行選択線に接続され、前記有効画素行または前記無感度画素行を選択してバイアス電圧を印加する行選択回路と、
前記撮像領域の列方向に配列され、前記赤外線検出画素および前記無感度画素に接続された複数の信号線と、
前記信号線に接続され、前記信号線に発生した信号電圧を増幅する増幅トランジスタと、
前記信号線と前記増幅トランジスタのゲートとの間に接続された結合容量と、
前記増幅トランジスタのゲートとドレインとの間に接続されたサンプリングトランジスタと、
前記増幅トランジスタのドレインに接続され、信号電荷を蓄積する蓄積容量と、
前記蓄積容量に蓄積された信号電荷に基づく電圧を読み出す読出し回路とを備え、
前記行選択回路が前記無感度画素行を選択し、かつ前記サンプリングトランジスタが前記増幅トランジスタのドレインとゲートを導通させる第1の選択期間は、前記行選択回路が前記有効画素行を選択し、かつ前記増幅トランジスタで増幅された信号電荷を前記蓄積容量へ蓄積する第2の選択期間よりも長く設定されたことを特徴とする赤外線センサ。
An imaging region including an effective pixel row that is two-dimensionally arranged on a semiconductor substrate and includes infrared detection pixels that detect infrared rays, and an insensitive pixel row that includes insensitive pixels that do not have infrared sensitivity;
A plurality of row selection lines arranged in a row direction in the imaging region and connected to the infrared detection pixels and the insensitive pixels;
A row selection circuit connected to the row selection line and selecting the effective pixel row or the insensitive pixel row and applying a bias voltage;
A plurality of signal lines arranged in the column direction of the imaging region and connected to the infrared detection pixels and the insensitive pixels;
An amplification transistor connected to the signal line and amplifying a signal voltage generated on the signal line;
A coupling capacitor connected between the signal line and the gate of the amplification transistor;
A sampling transistor connected between the gate and drain of the amplification transistor;
A storage capacitor connected to the drain of the amplification transistor for storing signal charges;
A readout circuit for reading out a voltage based on the signal charge accumulated in the storage capacitor,
In the first selection period in which the row selection circuit selects the insensitive pixel row and the sampling transistor makes the drain and gate of the amplification transistor conductive, the row selection circuit selects the effective pixel row, and An infrared sensor characterized by being set longer than a second selection period in which the signal charge amplified by the amplification transistor is stored in the storage capacitor.
半導体基板上に二次元的に配置され、赤外線を検出する赤外線検出画素からなる有効画素行、および、赤外線の感度を有しない無感度画素からなる複数の無感度画素行を含む撮像領域と、
前記撮像領域に行方向に配置され、前記赤外線検出画素および前記無感度画素に接続された複数の行選択線と、
前記行選択線に接続され、前記有効画素行または前記複数の無感度画素行を選択してバイアス電圧を印加する行選択回路と、
前記撮像領域の列方向に配列され、前記赤外線検出画素および前記複数の無感度画素に接続された複数の信号線と、
前記信号線に接続され、前記信号線に発生した信号電圧を増幅する増幅トランジスタと、
前記信号線と前記増幅トランジスタとの間に接続された結合容量と、
前記増幅トランジスタのゲートとドレインとの間に接続されたサンプリングトランジスタと、
前記増幅トランジスタのドレインに接続された、信号電荷を蓄積する蓄積容量と、
前記蓄積容量に蓄積された信号電荷に基づく電圧を読み出す読出し回路とを備え、
前記行選択回路が前記無感度画素行のうち少なくとも一つを選択し、かつ前記サンプリングトランジスタが前記増幅トランジスタのドレインとゲートを導通させる第1の選択期間は、前記行選択回路が前記有効画素行を選択し、かつ前記増幅トランジスタで増幅された信号電荷を前記蓄積容量へ蓄積する第2の選択期間よりも長く設定され、
前記第1の選択期間は、前記行選択回路が前記複数の無感度画素行のうち少なくとも一つの無感度画素行を選択し、かつ前記サンプリングトランジスタが前記増幅トランジスタのドレインとゲートとを導通させる複数の無感度画素行選択期間を含むことを特徴とする赤外線センサ。
An imaging region that is two-dimensionally arranged on a semiconductor substrate and includes an effective pixel row composed of infrared detection pixels that detect infrared rays, and a plurality of insensitive pixel rows composed of insensitive pixels that do not have infrared sensitivity;
A plurality of row selection lines arranged in a row direction in the imaging region and connected to the infrared detection pixels and the insensitive pixels;
A row selection circuit which is connected to the row selection line and selects the effective pixel row or the plurality of insensitive pixel rows and applies a bias voltage;
A plurality of signal lines arranged in the column direction of the imaging region and connected to the infrared detection pixels and the plurality of insensitive pixels;
An amplification transistor connected to the signal line and amplifying a signal voltage generated on the signal line;
A coupling capacitor connected between the signal line and the amplification transistor;
A sampling transistor connected between the gate and drain of the amplification transistor;
A storage capacitor for storing signal charges connected to the drain of the amplification transistor;
A readout circuit for reading out a voltage based on the signal charge accumulated in the storage capacitor,
The row selection circuit selects the effective pixel row during a first selection period in which the row selection circuit selects at least one of the insensitive pixel rows and the sampling transistor makes the drain and gate of the amplification transistor conductive. And is set longer than a second selection period for storing the signal charge amplified by the amplification transistor in the storage capacitor,
In the first selection period, the row selection circuit selects at least one insensitive pixel row among the plurality of insensitive pixel rows, and the sampling transistor conducts a plurality of drains and gates of the amplification transistor. An insensitive pixel row selection period.
前記増幅トランジスタのドレインに接続され、該ドレイン電圧をリセットするリセットトランジスタをさらに備え、
前記第1の選択期間の前、および、前記第2の選択期間の前に、前記増幅トランジスタのドレイン電圧をリセットすることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の赤外線センサ。
A reset transistor connected to the drain of the amplification transistor and resetting the drain voltage;
3. The infrared sensor according to claim 1, wherein the drain voltage of the amplification transistor is reset before the first selection period and before the second selection period.
前記複数の無感度画素行選択期間の少なくとも一つは、前記行選択回路が前記有効画素行を選択し、かつ前記増幅トランジスタで増幅された信号電荷を前記蓄積容量へ蓄積する有効画素行選択期間と等しいことを特徴とする請求項2に記載の赤外線センサ。   At least one of the plurality of insensitive pixel row selection periods is an effective pixel row selection period in which the row selection circuit selects the effective pixel row and stores the signal charge amplified by the amplification transistor in the storage capacitor. The infrared sensor according to claim 2, wherein 前記増幅トランジスタのドレインに接続され、該ドレイン電圧をリセットするリセットトランジスタをさらに備え、
前記複数の無感度画素行選択期間のうち最初の期間の前に前記増幅トランジスタのドレイン電圧をリセットし、その後の無感度画素行選択期間では、前記増幅トランジスタのドレイン電圧をリセットしないことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の赤外線センサ。
A reset transistor connected to the drain of the amplification transistor and resetting the drain voltage;
The drain voltage of the amplification transistor is reset before the first period among the plurality of insensitive pixel row selection periods, and the drain voltage of the amplification transistor is not reset in the subsequent insensitive pixel row selection period. The infrared sensor according to any one of claims 1 to 4.
前記増幅トランジスタのソース電位は、前記第1の選択期間と前記第2の選択期間とにおいて異なることを特徴とする請求項1に記載の赤外線センサ。   2. The infrared sensor according to claim 1, wherein a source potential of the amplification transistor is different between the first selection period and the second selection period. 請求項1から請求項6のいずれかに記載された赤外線センサを具備したことを特徴とする赤外線カメラ。   An infrared camera comprising the infrared sensor according to any one of claims 1 to 6. 半導体基板上に二次元的に配置され、赤外線を検出する赤外線検出画素からなる有効画素行、および、赤外線の感度を有しない無感度画素からなる無感度画素行を含む撮像領域と、前記撮像領域に行方向に配置され、前記赤外線検出画素および前記無感度画素に接続された複数の行選択線と、前記行選択線に接続され、前記有効画素行または前記無感度画素行を選択してバイアス電圧を印加する行選択回路と、前記撮像領域の列方向に配列され、前記赤外線検出画素および前記無感度画素に接続された複数の信号線と、前記信号線に接続され、前記信号線に発生した信号電圧を増幅する増幅トランジスタと、前記信号線と前記増幅トランジスタのゲートとの間に接続された結合容量と、前記増幅トランジスタのゲートとドレインとの間に接続されたサンプリングトランジスタと、前記増幅トランジスタのドレインに接続され、信号電荷を蓄積する蓄積容量と、前記蓄積容量に蓄積された信号電荷に基づく電圧を読み出す読出し回路とを備えた赤外線センサの駆動方法であって、
当該駆動方法は、
前記行選択回路が前記無感度画素行を選択し、かつ前記サンプリングトランジスタが前記増幅トランジスタのドレインとゲートを導通させる第1の選択期間と、
前記行選択回路が前記有効画素行を選択し、かつ前記増幅トランジスタで増幅された信号電荷を前記蓄積容量へ蓄積する第2の選択期間とを含み、
前記第1の選択期間は前記第2の選択期間よりも長く設定されたことを特徴とする赤外線センサの駆動方法。
An imaging region including an effective pixel row that is two-dimensionally arranged on a semiconductor substrate and includes infrared detection pixels that detect infrared rays, and an insensitive pixel row that includes insensitive pixels that do not have infrared sensitivity, and the imaging region A plurality of row selection lines arranged in a row direction and connected to the infrared detection pixels and the insensitive pixels, and connected to the row selection lines to select and bias the effective pixel row or the insensitive pixel row. A row selection circuit for applying a voltage, a plurality of signal lines arranged in the column direction of the imaging region, connected to the infrared detection pixels and the insensitive pixels, and connected to the signal lines and generated in the signal lines An amplification transistor for amplifying the signal voltage, a coupling capacitor connected between the signal line and the gate of the amplification transistor, and a connection between the gate and drain of the amplification transistor A method of driving an infrared sensor, comprising: a sampling transistor connected to the drain of the amplifying transistor; a storage capacitor for storing a signal charge; and a readout circuit for reading a voltage based on the signal charge stored in the storage capacitor. There,
The driving method is
A first selection period in which the row selection circuit selects the insensitive pixel row, and the sampling transistor makes the drain and gate of the amplification transistor conductive;
A second selection period in which the row selection circuit selects the effective pixel row and stores the signal charge amplified by the amplification transistor in the storage capacitor;
The method of driving an infrared sensor, wherein the first selection period is set longer than the second selection period.
半導体基板上に二次元的に配置され、赤外線を検出する赤外線検出画素からなる有効画素行、および、赤外線の感度を有しない無感度画素からなる複数の無感度画素行を含む撮像領域と、
前記撮像領域に行方向に配置され、前記赤外線検出画素および前記無感度画素に接続された複数の行選択線と、
前記行選択線に接続され、前記有効画素行または前記複数の無感度画素行を選択してバイアス電圧を印加する行選択回路と、
前記撮像領域の列方向に配列され、前記赤外線検出画素および前記複数の無感度画素に接続された複数の信号線と、
前記信号線に接続され、前記信号線に発生した信号電圧を増幅する増幅トランジスタと、
前記信号線と前記増幅トランジスタとの間に接続された結合容量と、
前記増幅トランジスタのゲートとドレインとの間に接続されたサンプリングトランジスタと、
前記増幅トランジスタのドレインに接続された、信号電荷を蓄積する蓄積容量と、
前記蓄積容量に蓄積された信号電荷に基づく電圧を読み出す読出し回路とを備えた赤外線センサの駆動方法であって、
当該駆動方法は、
前記行選択回路が前記無感度画素行のうち少なくとも一つを選択し、かつ前記サンプリングトランジスタが前記増幅トランジスタのドレインとゲートを導通させる第1の選択期間と、
前記行選択回路が前記有効画素行を選択し、かつ前記増幅トランジスタで増幅された信号電荷を前記蓄積容量へ蓄積する第2の選択期間とを含み、
前記第1の選択期間は、前記第2の選択期間よりも長く設定されており、
前記第1の選択期間は、前記行選択回路が前記複数の無感度画素行のうち少なくとも一つの無感度画素行を選択し、かつ前記サンプリングトランジスタが前記増幅トランジスタのドレインとゲートとを導通させる複数の無感度画素行選択期間を含むことを特徴とする赤外線センサ。
An imaging region that is two-dimensionally arranged on a semiconductor substrate and includes an effective pixel row composed of infrared detection pixels that detect infrared rays, and a plurality of insensitive pixel rows composed of insensitive pixels that do not have infrared sensitivity;
A plurality of row selection lines arranged in a row direction in the imaging region and connected to the infrared detection pixels and the insensitive pixels;
A row selection circuit which is connected to the row selection line and selects the effective pixel row or the plurality of insensitive pixel rows and applies a bias voltage;
A plurality of signal lines arranged in the column direction of the imaging region and connected to the infrared detection pixels and the plurality of insensitive pixels;
An amplification transistor connected to the signal line and amplifying a signal voltage generated on the signal line;
A coupling capacitor connected between the signal line and the amplification transistor;
A sampling transistor connected between the gate and drain of the amplification transistor;
A storage capacitor for storing signal charges connected to the drain of the amplification transistor;
A method for driving an infrared sensor comprising a readout circuit for reading out a voltage based on the signal charge accumulated in the storage capacitor,
The driving method is
A first selection period in which the row selection circuit selects at least one of the insensitive pixel rows and the sampling transistor makes a drain and a gate of the amplification transistor conductive;
A second selection period in which the row selection circuit selects the effective pixel row and stores the signal charge amplified by the amplification transistor in the storage capacitor;
The first selection period is set longer than the second selection period,
In the first selection period, the row selection circuit selects at least one insensitive pixel row among the plurality of insensitive pixel rows, and the sampling transistor conducts a plurality of drains and gates of the amplification transistor. An insensitive pixel row selection period.
前記赤外線センサは、前記増幅トランジスタのドレインに接続されたリセットトランジスタをさらに備え、
前記第1の選択期間の前、および、前記第2の選択期間の前に、前記増幅トランジスタのドレイン電圧をリセットすることを特徴とする請求項8または請求項9に記載の赤外線センサの駆動方法。
The infrared sensor further includes a reset transistor connected to a drain of the amplification transistor,
The infrared sensor driving method according to claim 8 or 9, wherein the drain voltage of the amplification transistor is reset before the first selection period and before the second selection period. .
前記複数の無感度画素行選択期間の少なくとも一つは、前記行選択回路が前記有効画素行を選択し、かつ前記増幅トランジスタで増幅された信号電荷を前記蓄積容量へ蓄積する有効画素行選択期間と等しいことを特徴とする請求項9に記載の赤外線センサの駆動方法。   At least one of the plurality of insensitive pixel row selection periods is an effective pixel row selection period in which the row selection circuit selects the effective pixel row and stores the signal charge amplified by the amplification transistor in the storage capacitor. The infrared sensor driving method according to claim 9, wherein: 前記増幅トランジスタのドレインに接続され、該ドレイン電圧をリセットするリセットトランジスタをさらに備え、
前記リセットトランジスタは、前記複数の無感度画素行選択期間のうち最初の期間の前に前記増幅トランジスタのドレイン電圧をリセットし、その後の無感度画素行選択期間では、前記増幅トランジスタのドレイン電圧をリセットしないことを特徴とする請求項8から請求項11のいずれか1項に記載の赤外線センサの駆動方法。
A reset transistor connected to the drain of the amplification transistor and resetting the drain voltage;
The reset transistor resets the drain voltage of the amplification transistor before the first period of the plurality of insensitive pixel row selection periods, and resets the drain voltage of the amplification transistor in the subsequent insensitive pixel row selection period. The infrared sensor driving method according to claim 8, wherein the infrared sensor driving method is not performed.
前記増幅トランジスタのソース電位は、前記第1の選択期間と前記第2の選択期間とにおいて異なることを特徴とする請求項8に記載の赤外線センサの駆動方法。   9. The infrared sensor driving method according to claim 8, wherein a source potential of the amplification transistor is different between the first selection period and the second selection period.
JP2005353420A 2005-12-07 2005-12-07 Infrared sensor and driving method thereof Expired - Fee Related JP4331160B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005353420A JP4331160B2 (en) 2005-12-07 2005-12-07 Infrared sensor and driving method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005353420A JP4331160B2 (en) 2005-12-07 2005-12-07 Infrared sensor and driving method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2007158916A true JP2007158916A (en) 2007-06-21
JP4331160B2 JP4331160B2 (en) 2009-09-16

Family

ID=38242667

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2005353420A Expired - Fee Related JP4331160B2 (en) 2005-12-07 2005-12-07 Infrared sensor and driving method thereof

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4331160B2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011013197A1 (en) * 2009-07-28 2011-02-03 株式会社 東芝 Infrared imaging device
JP2011174918A (en) * 2010-01-26 2011-09-08 Seiko Epson Corp Detection apparatus, sensor device, and electronic apparatus
JP2013247182A (en) * 2012-05-24 2013-12-09 Canon Inc Photoelectric conversion device

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011013197A1 (en) * 2009-07-28 2011-02-03 株式会社 東芝 Infrared imaging device
US8344321B2 (en) 2009-07-28 2013-01-01 Kabushiki Kaisha Toshiba Infrared imaging device
JP5421371B2 (en) * 2009-07-28 2014-02-19 株式会社東芝 Infrared imaging device
JP2011174918A (en) * 2010-01-26 2011-09-08 Seiko Epson Corp Detection apparatus, sensor device, and electronic apparatus
JP2013247182A (en) * 2012-05-24 2013-12-09 Canon Inc Photoelectric conversion device

Also Published As

Publication number Publication date
JP4331160B2 (en) 2009-09-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4372097B2 (en) Infrared sensor, infrared camera, driving method of infrared sensor, and driving method of infrared camera
JP3866069B2 (en) Infrared solid-state imaging device
US7943905B2 (en) Infrared solid-state image sensor
JP5127278B2 (en) Thermal infrared solid-state imaging device and infrared camera
US8344321B2 (en) Infrared imaging device
US20100025584A1 (en) Image sensor and manufacturing method thereof
JP2013200187A (en) Non-cooling infrared imaging device
JP3793033B2 (en) Infrared sensor and driving method thereof
US7737400B2 (en) Bolometer type uncooled infrared ray sensor and method for driving the same
JP4343144B2 (en) Infrared sensor
JP4331160B2 (en) Infrared sensor and driving method thereof
JP2009168611A (en) Infrared solid-state imaging device
JP4153861B2 (en) Infrared sensor
JP6026585B2 (en) Infrared imaging device
JP3974902B2 (en) Thermal infrared detector
JP5443800B2 (en) Infrared solid-state image sensor
JP3648506B2 (en) Infrared imaging device
JP3657885B2 (en) Infrared sensor device and driving method thereof
JP2009168613A (en) Infrared solid-state image sensor

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20090520

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20090526

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20090617

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120626

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120626

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130626

Year of fee payment: 4

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees