JP2007158916A - Infrared sensor and method for driving the same - Google Patents
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Abstract
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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))2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
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
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
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
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
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
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
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)2=(Vsh+Vsig+Vs)2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
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
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
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
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
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
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
(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
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
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
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)2=(Vsig+Vs)2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
(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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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
Claims (13)
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.
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.
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.
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.
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WO2011013197A1 (en) * | 2009-07-28 | 2011-02-03 | 株式会社 東芝 | Infrared imaging device |
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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 |
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