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JP4560988B2 - Photodetector - Google Patents

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JP4560988B2
JP4560988B2 JP2001126282A JP2001126282A JP4560988B2 JP 4560988 B2 JP4560988 B2 JP 4560988B2 JP 2001126282 A JP2001126282 A JP 2001126282A JP 2001126282 A JP2001126282 A JP 2001126282A JP 4560988 B2 JP4560988 B2 JP 4560988B2
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voltage
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は超波長赤外線フォトダイオードや量子井戸型赤外センサ(QWIP; Quantumn Well Infrared Photodetector) などの暗電流成分を除去する際に、除去成分のばらつきを抑圧するための暗電流相殺回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
赤外線のフォトンエネルギーが半導体のバンド構造における荷電粒子と相互作用することを利用した赤外線検出器には、荷電粒子の直接遷移によってバルク半導体の抵抗変化で赤外線輻射量を計るPC(Photo Conductive) 型と、PN接合で生じる電圧あるいは電流で赤外線輻射量を計るPV(Photo Voltaic)型がある。更には、半導体を多層の薄膜で形成した量子井戸のイントラバンド間遷移による抵抗変化で赤外線輻射量を計るQWIPなどがある。
【0003】
近年のシリコン(Si)技術の進歩により、これらの赤外線検出器はSi集積回路を用いて実現される信号処理回路( 以降、Si信号読出回路と呼ぶ) と共に結合され、各画素において光電変換された信号を時系列の信号として処理するようになっている。図4は赤外線検出器の外観を示す図である。図中、31は赤外線検出器、32は赤外線センサアレイ、33はSi信号読出回路基板、35および36は二次元マトリクス状に配列された信号読出回路を逐次切り替えて時系列信号とするためのシフトレジスタ、34は供給電源、パルス、出力などを外部と接続するためのボンディングパッド、37は各赤外センサと信号読出回路を一対一で電気的に接続するとともに、機械的にも接続するためのInバンプである。赤外線検出器31は、真空容器に実装され、略液体窒素温度( 〜77K)に冷却して用いられる。
【0004】
QWIPは感光波長が伸びると、バンド障壁の高さが低くなり、フォトンとの相互作用で励起される荷電粒子の数より熱励起の荷電粒子数の方が多く、その結果大きな暗電流に、小さな光電流が重畳するようになる。その結果、検出器の出力において、ダイナミックレンジの殆どを暗電流が占め、その後の電気回路での信号処理の性能に埋もれる程度に信号が小さくなってしまう。そこで、Si信号処理回路に暗電流相殺回路を設け、出力ダイナミックレンジを拡げることが望まれている。
【0005】
(第1の従来例)
Si信号処理回路において、一定の電流を検出器の出力から相殺する方法がAlexander Krymski によって提案されている。("Offset-calibration current readout for LWIR photodiode FPA"; SPIE Vol.2745 pp.78-88 )
図5はカレントミラー回路を用いた暗電流相殺回路を示す図である。一定電流(Iref) を設定して、スイッチS1をオンすると、読出MOSFET M1 に電流Irefを流すように、M3のゲート電圧が容量C に記憶される。次にスイッチS1がオフして、フォトダイオードPDに光が入射するとIph 電流が発生し、フォトダイオードに流れる電流はIref+Iphとなる。この電流値に見合う電流をM1に供給するように読出MOSFET M1 がM2およびM3によって制御される結果、出力電流Iout=-Iph が得られる。即ち、暗電流を相殺してフォトダイオードPDで発生電流変化分だけが出力として観測されることになる。
(第2の従来例)
図6はQWIP光センサアレイの信号検出用の基本回路を示す図である。
【0006】
図中の1はQWIPセンサ、2は入力FET、3は蓄積容量、4はリセットFET、5はリセット電源、6は定電流源FET、7は前記定電流源FET6 の定電流源用電源、8 は光センサのバイアス電源、9 は前記蓄積容量3の両端に現われる出力電圧である。
【0007】
まず、リセットFET4をオンして、蓄積容量3 を充電する。次に、リセットFET4をオフするとともに、入力FET2と定電流源FET6を同時にオンして、蓄積容量3に蓄えた電荷をQWIPセンサ1へ放電し、電荷量の減少の程度を測定することにより、QWIPセンサ1の抵抗値を計ろうとするものである。バイアス電源8 はQWIPセンサ1と入力FET2の動作点を設定するために用いる。この放電時、定電流源FET6はオンになっているので、放電量に近い電荷の充電がなされれば、出力は最初のリセットレベルに近い値を保つことになり、一定の暗電流除去が行われたことになる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
第1の従来例は、一画素の動作について述べたものであり、センサアレイの場合にはIrefを設定する場合、第2の従来例の定電流源トランジスタ6のようにp チャネルトランジスタのゲート電圧を制御して定電流源とすることになる。即ち、第1、第2の従来例ともゲート電圧で制御する定電流源を用いて、暗電流を相殺する電流値を設定していた。暗電流の電流値はnA〜μA オーダであるから、トランジスタとしては、サブスレッショールド(sub-threshold) 領域での動作となる。サブスレッショールド領域でのドレイン電流は、例えば、77K 冷却して、トランジスタのチャネル領域にトラップが無いと仮定すると、ゲートの閾値電圧が約15mVばらつくと、約1 桁電流値が違うことになる。実際のデバイスでは、チップ内のゲートの閾値電圧のばらつきが±数mV存在し、例えば±5mV の閾値ばらつきがあれば、Iref電流の最小値の最大値に対する比は約20%となり、全画素にわたって均一に暗電流を除去することはできない。
【0009】
そこで、このばらつきを2段階で補正する方法を考案した。
【0010】
【課題を解決するための手段】
(請求項1)
本発明の光検出器は、複数の光センサを二次元マトリクス状に配列した光センサアレイと、前記光センサ個々に対応して信号検出する信号検出回路を二次元マトリクス状に配列した検出回路基板とを有し、前記信号検出回路は前記光センサ毎の暗電流を二つの定電流源トランジスタを用いて相殺する暗電流相殺回路を有する。
【0011】
即ち、暗電流相殺のために流す電流を設定するためには、第1の定電流源トランジスタの閾値電圧ばらつきに伴う電流値のばらつきを回避することは難しい。
そこで第1の定電流源トランジスタは検出器の外部から供給される電圧でゲート電圧を制御して供給電流の粗調整を行い、その時生じるばらつき量を補正できる微調整用の他の定電流源回路を構成して、2段階の補正を行う。
(請求項2)
本発明の光検出器では、前記信号検出回路は蓄積容量とサンプルホールド回路を有し、前記定電流源トランジスタの内、第1の定電流電源トランジスタは前記光検出器の外部からゲート電圧で前記暗電流を粗調整し、前記蓄積容量は前記粗調整された暗電流を積分し、前記サンプルホールド回路は前記蓄積容量の電圧を保持し、他の電流源トランジスタはサンプルホールドされた電圧でゲート電圧を制御することによって前記暗電流を微調整する。
【0012】
即ち、第1の定電流源トランジスタによって設定された電流値は、蓄積容量でVオーダの信号に変換でき、その電圧ばらつきを他の定電流源トランジスタのゲート電圧として供給することによって、閾値電圧以上の制御信号を得て微調整された暗電流相殺電流を発生することができる。
(請求項3)
本発明の光検出器では、前記信号検出回路は前記光センサと前記蓄積容量の接続を制御する入力トランジスタおよび前記蓄積容量の電荷を充放電するリセットトランジスタを有し、前記定電流源トランジスタは前記入力トランジスタおよび前記リセットトランジスタとは逆のチャネル特性である。
【0013】
即ち、信号検出回路が基板電位を基準に動作するように設計されているのに対して(例えばnチャネル)、定電流源のトランジスタはドレインの電源電圧を基準に動作させるようにしなければならない。従って、信号検出回路の他のトランジスタとは逆のチャネル特性(例えばpチャネル)にしなければ定電流を発生できなくなる。また、サンプルホールドされた電圧が大きいと小さい電流値を微調整された電流として発生すれば良く、動作特性の整合性もとれる。
(請求項4)
本発明の光検出器では、前記第1の定電流源トランジスタは、ドレインがDC電源に接続され、他の定電流源トランジスタは、ドレインがパルス電源に接続される。
【0014】
第1の定電流源トランジスタは、定常電流を発生するために、DC電源をドレインに供給し、サブスレッショールド領域での制御を行う。これに対して、他の定電流源トランジスタはVオーダのゲート電圧をサンプルホールドから供給されるので、その制御はトランジスタの自乗特性領域で動作する。電流値としてはmAオーダとなって、短時間で必要電荷を供給してしまう。しかし、暗電流除去の目的は検出器を経由する放電電流に見合う量を、検出器が信号検出している期間にわたって定常的に、供給することである。そこで、他の定電流源トランジスタは短時間電流を流しては、待機し、また流すという、繰り返しを信号検出期間に何度も行って、蓄積容量の電圧変化を大きくしないようにする必要がある。そのため、他の定電流源トランジスタのドレインはパルス電源とし、逐次必要な電荷をパルス状に供給する。
【0015】
【発明の実施の形態】
図1は、暗電流除去のための回路構成を示す図である。
【0016】
図中、図6と同じ番号を付したものは、同じ機能を果たすものである14はリッセトレベルを2種類設けるための第2のリセットFET、15は前記第2のリセットFET14のドレイン電源、11は2つのリセットFETのどちらかを使用する時のみONにするリセットスイッチFET、12は蓄積容量3の電荷を浮遊容量とで分割するサンプルホールドFET、16は第2の定電流源FETであり、そのゲートは前記サンプルホールドされた電圧が印加され、17はその定電流源用電源、13はサンプルホールドされた電圧をリセットするためのサンプルホールドリセットFET、18はサンプルホールドリセットFET1 3 のドレイン電源である。
【0017】
本回路構成を用いて、暗電流除去法を説明する。この暗電流除去量の決定は2つの動作モードからなり、第1のモードは粗い除去電流を設定し、第2のモードは第1の除去電流との合計で除去電流を揃える。
【0018】
第1のモードでは、まず、蓄積容量3を第2のリセットFET14の第2のリセット電源15のレベル( 約0.6)にリセットする。また、第2の定電流源FET16が動作しないように、そのゲート電圧をサンプルホールドリセットFET13で、サンプルホールドリセット電源18につり上げる。この状態で、第1の定電流源FET6から、蓄積容量3に電荷を蓄える。第1の定電流源FETの閾値電圧が低い場合には、沢山の電荷が蓄積され、閾値電圧が高い場合は、少しの量しか電荷は蓄えられない。即ち、出力9には、閾値電圧の低い場合は大きな電圧、高い場合は小さな電圧が出力される。
【0019】
第2のモードは、この時の蓄積容量端電圧をサンプルホールドFET12をオンして、第2の定電流源FET16のゲート電極に供給する。この時、サンプルホールドFET12の拡散層、サンプルホールドリセットFET13の拡散層、第2の定電流源FET16のゲートおよび配線からなる浮遊容量と蓄積容量3の電荷を分配するので、浮遊容量はできるだけ小さい方が良い。第2の定電流源FET16のゲート電圧は、閾値電圧を遥かに越える大きな電圧であるから、このpチャネルトランジスタは自乗特性領域の動作を示し、大きな電圧に対しては電流値を絞り、小さな電圧に対しては大電流を流すように動作する。しかし、第2の定電流源FET16を流れる電流は第1の定電流源FET6で流した電流より2〜3桁大きいので、第1の定電流源で得た電荷量と合わせ込むには、第2の電流源で電流を流した時間で制御する必要がある。
【0020】
以上の調整を行って、光センサアレイ個々での暗電流除去のレベルを揃えることが可能となる。
【0021】
図2に本発明の回路動作(図1に示す回路)を説明するタイムチャートを示す。
1)蓄積容量3を放電する。(期間T1)
入力FET2、第1および第2の定電流源FET6、16、サンプルホールドFET12をオフし、リセットスイッチFET11および第2のリセットFET4をオンして、蓄積容量3を第2のリセット電源15の電圧(略0.6V)にする。
2)第1の定電流源FET6から暗電流相殺電流を蓄積容量3に蓄え、蓄積容量端電圧が飽和しないように、ゲート電圧を調整する。(期間T2)
リセットスイッチFET11をオフし、第1の定電流源トランジスタ6のゲート電圧がトランジスタの閾値電圧未満とし、センサアレイをバイアスして流れる電流と同程度となる様にゲート電圧を調整する。
3)サンプルホールドFET12をオンして、第2の定電流源FET16のゲートに電圧を供給する。(期間T2の最後)
一定の蓄積時間を経過した時点で第1の定電流源FET6をオフし、サンプルホールドFET12をオンして、蓄積容量端電圧を第2の定電流源FET16のゲートに供給する。
4)第2の定電流源FET16の第2の定電流源用電源17をパルス駆動して蓄積容量端電圧が出力ダイナミックレンジ内に収まるようにパルスデューティを調整する。(期間T3)
図3の暗電流除去量の決め方を示す図によって、期間T2およびT3の動作をもう少し詳しく説明する。
【0022】
期間T2で、第1の定電流源FET6のゲート電圧を調整して蓄積容量に電荷を蓄積した場合、第1の定電流源FET6の閾値電圧が低い場合は、図3のaに示すように電荷が蓄積される。一方、閾値電圧が高い場合には、bのようにその増加はaに較べ小さい。そして、期間2の最後にサンプルホールドスイッチFETがオンして、aおよびbの電圧が、それぞれ第2の定電流源FET16のゲートにバイアスされ、期間3が始まる。ゲート電圧aおよびbが印加されるとドレイン電流としてそれぞれIaおよびIbを流そうとする。しかし、この電流量は第1の定電流源FET6で流していた電流よりも数桁大きい量であるから、直ぐに蓄積容量3を満たしてしまう。そこで、第2の定電流源用電源17をパルス状に印加すると、図3のa1およびb1のような階段状の波形として増加させ、しかも、蓄積容量が飽和しないように、そのパルスデューティを調整することで可能となる。期間T1およびT2で、最終的に暗電流除去しようとする量はa+a1およびb+b1であり、第1の定電流源FET6だけで除去量を決めるより、ばらつきを小さくできることが判る。
5)蓄積容量を充電する。(期間T4)
リセットスイッチFET11および第2のリセットFET14をオンし、蓄積容量3を第2のリセット電源15(+Vdd)の電圧に充電する。
6)入力FET2を開き、第1および第2の定電流源FET6および16、から電流供給しながら赤外線の信号を検出する。(期間T5)
蓄積容量3に蓄えられた電荷は入力FET2およびセンサを経由して電流として流れ続けようとする。ここで、第1および第2の定電流源FET6および16から電流供給を受けると、蓄積容量3においては、殆ど電荷の減少が無い。すなわち、暗電流を相殺することによって、センサの観測時間(蓄積時間)を延ばすことができ、赤外線検出器の感度を向上することができる。
【0023】
以上の説明において、2つの定電流源トランジスタを用いた暗電流除去回路について述べたが、第2の定電流源トランジスタの自乗特性があり、更に、この自乗特性を補正する必要がある場合は、第3、第4の定電流源を設けることにより高度な補正が可能であることは明らかである。
【0024】
以上の説明ではQWIPへの応用を主に行ってきたが、PV型やPC型検出器にも本暗案電流除去回路の適用が可能なことは言うまでもない。
【0025】
【発明の効果】
閾値電圧以下のサブスレッショールド領域の電流を暗電流相殺に使用する場合、第1の定電流源回路でばらつきが大きい粗い電流値を設定し、そのばらつきを第2の定電流源回路にフィードバックするとともに、この第2の定電流源回路をパルス駆動することによって、均一な暗電流除去を実現できる。暗電流除去が均一にできる結果、蓄積時間を延ばして、検出器のSN比を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】QWIP光センサアレイの暗電流相殺用回路を示す図
【図2】各部の動作を示すタイムチャート
【図3】暗電流除去量の決め方を示す図
【図4】赤外線検出器の外観を示す図
【図5】カレントミラー回路を用いた暗電流相殺回路を示す図
【図6】QWIP光センサアレイの信号検出の基本回路を示す図
【符号の説明】
1 センサ
2 入力FET
3 蓄積容量
4 (第1の)リセットFET
5 (第1の)リセット電源
6 (第1の)定電流源FET
7 (第1の)定電流源用電源
8 センサバイアス電源
9 信号出力
11 リセットスイッチFET
12 サンプルホールドスイッチFET
13 サンプルホールドリセットスイッチFET
14 第2のリセットFET
15 第2のリセット電源
16 第2の定電流源FET
17 第2の定電流源用電源
18 サンプルホールドリセット電源
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a dark current canceling circuit for suppressing variations in removed components when removing dark current components such as a super-wavelength infrared photodiode and a quantum well infrared sensor (QWIP).
[0002]
[Prior art]
Infrared detectors utilizing the interaction of infrared photon energy with charged particles in the semiconductor band structure include a PC (Photo Conductive) type that measures the amount of infrared radiation by the resistance change of the bulk semiconductor by direct transition of charged particles. There is a PV (Photo Voltaic) type that measures the amount of infrared radiation by the voltage or current generated at the PN junction. Furthermore, there is QWIP that measures the amount of infrared radiation by resistance change due to intra-band transition of a quantum well in which a semiconductor is formed of a multilayer thin film.
[0003]
Due to recent advances in silicon (Si) technology, these infrared detectors are combined with a signal processing circuit (hereinafter referred to as a Si signal readout circuit) realized using a Si integrated circuit, and photoelectrically converted in each pixel. The signal is processed as a time-series signal. FIG. 4 is a view showing the appearance of the infrared detector. In the figure, 31 is an infrared detector, 32 is an infrared sensor array, 33 is a Si signal readout circuit board, and 35 and 36 are shifts for sequentially switching signal readout circuits arranged in a two-dimensional matrix to form time-series signals. Register, 34 is a bonding pad for connecting the power supply, pulse, output, etc. to the outside, 37 is for electrically connecting each infrared sensor and signal readout circuit one-to-one, and also for mechanical connection In bump. The infrared detector 31 is mounted in a vacuum vessel and is used after being cooled to a substantially liquid nitrogen temperature (˜77K).
[0004]
With QWIP, as the photosensitive wavelength increases, the height of the band barrier decreases, and the number of charged particles that are thermally excited is greater than the number of charged particles that are excited by the interaction with photons. The photocurrent is superimposed. As a result, the dark current occupies most of the dynamic range in the output of the detector, and the signal becomes small enough to be buried in the performance of signal processing in the subsequent electric circuit. Therefore, it is desired to provide a dark current canceling circuit in the Si signal processing circuit to expand the output dynamic range.
[0005]
(First conventional example)
Alexander Krymski has proposed a method for canceling a constant current from the detector output in a Si signal processing circuit. ("Offset-calibration current readout for LWIR photodiode FPA"; SPIE Vol.2745 pp.78-88)
FIG. 5 is a diagram showing a dark current canceling circuit using a current mirror circuit. When the constant current (Iref) is set and the switch S1 is turned on, the gate voltage of M3 is stored in the capacitor C so that the current Iref flows through the readout MOSFET M1. Next, when the switch S1 is turned off and light enters the photodiode PD, an Iph current is generated, and the current flowing through the photodiode becomes Iref + Iph. As a result of the read MOSFET M1 being controlled by M2 and M3 so as to supply a current corresponding to this current value to M1, an output current Iout = −Iph is obtained. That is, the dark current is canceled and only the change in the generated current is observed as an output by the photodiode PD.
(Second conventional example)
FIG. 6 is a diagram showing a basic circuit for signal detection of the QWIP optical sensor array.
[0006]
In the figure, 1 is a QWIP sensor, 2 is an input FET, 3 is a storage capacitor, 4 is a reset FET, 5 is a reset power source, 6 is a constant current source FET, 7 is a constant current source power source for the constant current source FET 6, 8 Is a bias power source of the optical sensor, and 9 is an output voltage appearing at both ends of the storage capacitor 3.
[0007]
First, the reset FET 4 is turned on to charge the storage capacitor 3. Next, the reset FET 4 is turned off, the input FET 2 and the constant current source FET 6 are turned on simultaneously, the charge stored in the storage capacitor 3 is discharged to the QWIP sensor 1, and the degree of decrease in the charge amount is measured. The resistance value of the QWIP sensor 1 is to be measured. A bias power source 8 is used to set operating points of the QWIP sensor 1 and the input FET 2. At the time of discharging, the constant current source FET 6 is turned on. Therefore, if a charge close to the discharge amount is charged, the output maintains a value close to the initial reset level, and constant dark current removal is performed. It will be broken.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In the first conventional example, the operation of one pixel is described. When Iref is set in the case of a sensor array, the gate voltage of the p-channel transistor is set like the constant current source transistor 6 of the second conventional example. Is controlled to be a constant current source. That is, in both the first and second conventional examples, a constant current source controlled by the gate voltage is used to set a current value that cancels the dark current. Since the current value of the dark current is on the order of nA to μA, the transistor operates in a sub-threshold region. The drain current in the sub-threshold region is, for example, 77K cooled, and assuming that there is no trap in the channel region of the transistor, if the gate threshold voltage varies by about 15mV, the current value will differ by about an order of magnitude. . In an actual device, there is a variation in the threshold voltage of the gate within the chip within ± several mV. For example, if there is a variation in the threshold of ± 5 mV, the ratio of the minimum value of the Iref current to the maximum value is about 20%. The dark current cannot be removed uniformly.
[0009]
Therefore, a method of correcting this variation in two steps was devised.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
(Claim 1)
The photodetector of the present invention is a detection circuit board in which a plurality of photosensors are arranged in a two-dimensional matrix and a signal detection circuit that detects signals corresponding to each of the photosensors is arranged in a two-dimensional matrix. The signal detection circuit includes a dark current canceling circuit that cancels the dark current of each photosensor using two constant current source transistors.
[0011]
That is, in order to set the current that flows for dark current cancellation, it is difficult to avoid variations in the current value due to variations in the threshold voltage of the first constant current source transistor.
Therefore, the first constant current source transistor controls the gate voltage with the voltage supplied from the outside of the detector to perform rough adjustment of the supply current, and can correct the amount of variation occurring at that time, and other constant current source circuit for fine adjustment To perform two-stage correction.
(Claim 2)
In the photodetector of the present invention, the signal detection circuit has a storage capacitor and a sample hold circuit, and the first constant current power transistor among the constant current source transistors is gate voltage from the outside of the photodetector. The dark current is coarsely adjusted, the storage capacitor integrates the coarsely adjusted dark current, the sample and hold circuit holds the voltage of the storage capacitor, and the other current source transistors are gated at the sample and hold voltage. The dark current is finely adjusted by controlling.
[0012]
That is, the current value set by the first constant current source transistor can be converted into a V-order signal by the storage capacitor, and the voltage variation is supplied as the gate voltage of the other constant current source transistors, so Thus, a finely adjusted dark current canceling current can be generated.
(Claim 3)
In the photodetector of the present invention, the signal detection circuit includes an input transistor that controls connection between the photosensor and the storage capacitor, and a reset transistor that charges and discharges the charge of the storage capacitor. The channel characteristics are opposite to those of the input transistor and the reset transistor.
[0013]
That is, while the signal detection circuit is designed to operate with reference to the substrate potential (for example, n-channel), the constant current source transistor must be operated with reference to the drain power supply voltage. Accordingly, a constant current cannot be generated unless channel characteristics (for example, p-channel) opposite to those of other transistors in the signal detection circuit are used. Further, when the sampled and held voltage is large, a small current value may be generated as a finely adjusted current, and consistency of operating characteristics can be obtained.
(Claim 4)
In the photodetector of the present invention, the drain of the first constant current source transistor is connected to a DC power source, and the drain of the other constant current source transistor is connected to a pulse power source.
[0014]
In order to generate a steady current, the first constant current source transistor supplies DC power to the drain and performs control in the subthreshold region. On the other hand, since the other constant current source transistors are supplied with a gate voltage of V order from the sample hold, the control operates in the square characteristic region of the transistors. The current value is in the order of mA, and the necessary charge is supplied in a short time. However, the purpose of dark current removal is to constantly supply an amount commensurate with the discharge current passing through the detector over the period during which the detector detects the signal. Therefore, the other constant current source transistors need to be repeatedly put in the signal detection period, such as waiting for a short-time current, and then flowing, so as not to increase the voltage change of the storage capacitor. . For this reason, the drains of the other constant current source transistors are used as pulse power supplies, and the necessary charges are sequentially supplied in pulses.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a diagram showing a circuit configuration for removing dark current.
[0016]
In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 6 denote the same functions. Reference numeral 14 denotes a second reset FET for providing two kinds of reset levels, reference numeral 15 denotes a drain power supply of the second reset FET 14, Is a reset switch FET that is turned on only when one of the two reset FETs is used, 12 is a sample hold FET that divides the charge of the storage capacitor 3 with the stray capacitance, and 16 is a second constant current source FET, The sampled and held voltage is applied to the gate, 17 is a power supply for the constant current source, 13 is a sample and hold reset FET for resetting the sampled and held voltage, and 18 is a drain power supply for the sample and hold reset FET1 3. is there.
[0017]
The dark current removal method will be described using this circuit configuration. The determination of the dark current removal amount consists of two operation modes. The first mode sets a rough removal current, and the second mode makes the removal current uniform in total with the first removal current.
[0018]
In the first mode, first, the storage capacitor 3 is reset to the level (about 0.6) of the second reset power supply 15 of the second reset FET 14. Further, the gate voltage of the second constant current source FET 16 is raised to the sample hold reset power supply 18 by the sample hold reset FET 13 so that the second constant current source FET 16 does not operate. In this state, charges are stored in the storage capacitor 3 from the first constant current source FET 6. When the threshold voltage of the first constant current source FET is low, a large amount of charge is accumulated, and when the threshold voltage is high, only a small amount of charge is accumulated. That is, the output 9 outputs a large voltage when the threshold voltage is low and a small voltage when the threshold voltage is high.
[0019]
In the second mode, the storage capacitor end voltage at this time is supplied to the gate electrode of the second constant current source FET 16 by turning on the sample hold FET 12. At this time, since the stray capacitance composed of the diffusion layer of the sample hold FET 12, the diffusion layer of the sample hold reset FET 13, the gate and wiring of the second constant current source FET 16 and the charge of the storage capacitor 3 are distributed, the stray capacitance is as small as possible. Is good. Since the gate voltage of the second constant current source FET 16 is a large voltage that far exceeds the threshold voltage, this p-channel transistor exhibits an operation in the square characteristic region, and for a large voltage, the current value is reduced to a small voltage. Operates with a large current. However, since the current flowing through the second constant current source FET 16 is two to three orders of magnitude larger than the current flowing through the first constant current source FET 6, in order to match the amount of charge obtained from the first constant current source, It is necessary to control by the time when the current is passed by the two current sources.
[0020]
By performing the above adjustment, the level of dark current removal in each photosensor array can be made uniform.
[0021]
FIG. 2 is a time chart for explaining the circuit operation of the present invention (the circuit shown in FIG. 1).
1) The storage capacitor 3 is discharged. (Period T1)
The input FET 2, the first and second constant current sources FET 6, 16 and the sample hold FET 12 are turned off, the reset switch FET 11 and the second reset FET 4 are turned on, and the storage capacitor 3 is connected to the voltage of the second reset power supply 15 ( About 0.6V).
2) The dark current canceling current is stored in the storage capacitor 3 from the first constant current source FET 6 and the gate voltage is adjusted so that the storage capacitor end voltage is not saturated. (Period T2)
The reset switch FET11 is turned off, and the gate voltage is adjusted so that the gate voltage of the first constant current source transistor 6 is less than the threshold voltage of the transistor and is approximately equal to the current flowing by biasing the sensor array.
3) The sample hold FET 12 is turned on to supply a voltage to the gate of the second constant current source FET 16. (End of period T2)
When a certain accumulation time elapses, the first constant current source FET 6 is turned off, the sample hold FET 12 is turned on, and the storage capacitor end voltage is supplied to the gate of the second constant current source FET 16.
4) Pulse driving the second constant current source power source 17 of the second constant current source FET 16 to adjust the pulse duty so that the storage capacitor end voltage is within the output dynamic range. (Period T3)
The operation in the periods T2 and T3 will be described in a little more detail with reference to FIG. 3 showing how to determine the dark current removal amount.
[0022]
In the period T2, when the gate voltage of the first constant current source FET 6 is adjusted and charges are stored in the storage capacitor, when the threshold voltage of the first constant current source FET 6 is low, as shown in FIG. Charge is accumulated. On the other hand, when the threshold voltage is high, the increase is smaller than a, as in b. Then, at the end of the period 2, the sample hold switch FET is turned on, and the voltages a and b are biased to the gate of the second constant current source FET 16 respectively, and the period 3 starts. When the gate voltages a and b are applied, Ia and Ib are tried to flow as drain currents, respectively. However, since this amount of current is several orders of magnitude larger than the current flowing in the first constant current source FET 6, it immediately fills the storage capacitor 3. Therefore, when the second constant current source power supply 17 is applied in a pulse form, the pulse duty is increased as a stepped waveform such as a1 and b1 in FIG. 3, and the pulse duty is adjusted so that the storage capacity is not saturated. This is possible. In periods T1 and T2, the amounts of dark current to be finally removed are a + a1 and b + b1, and it can be seen that the variation can be made smaller than the amount of removal determined only by the first constant current source FET6.
5) Charge the storage capacity. (Period T4)
The reset switch FET11 and the second reset FET14 are turned on to charge the storage capacitor 3 to the voltage of the second reset power supply 15 (+ Vdd).
6) Open the input FET 2 and detect an infrared signal while supplying current from the first and second constant current sources FET 6 and 16. (Period T5)
The electric charge stored in the storage capacitor 3 tends to continue to flow as a current via the input FET 2 and the sensor. Here, when current is supplied from the first and second constant current sources FETs 6 and 16, there is almost no reduction in charge in the storage capacitor 3. That is, by canceling the dark current, the sensor observation time (accumulation time) can be extended, and the sensitivity of the infrared detector can be improved.
[0023]
In the above description, the dark current removal circuit using two constant current source transistors has been described, but there is a square characteristic of the second constant current source transistor, and when this square characteristic needs to be corrected, It is clear that a high degree of correction is possible by providing the third and fourth constant current sources.
[0024]
In the above explanation, the application to QWIP has been mainly carried out, but it goes without saying that this implicit current elimination circuit can also be applied to PV type and PC type detectors.
[0025]
【The invention's effect】
When the current in the subthreshold region below the threshold voltage is used for dark current cancellation, a coarse current value having a large variation is set in the first constant current source circuit, and the variation is fed back to the second constant current source circuit. In addition, uniform dark current removal can be realized by pulse driving the second constant current source circuit. As a result of uniform dark current removal, the storage time can be extended and the SN ratio of the detector can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a dark current canceling circuit of a QWIP photosensor array. FIG. 2 is a time chart showing the operation of each part. FIG. 3 is a diagram showing how to determine a dark current removal amount. FIG. 5 is a diagram showing a dark current canceling circuit using a current mirror circuit. FIG. 6 is a diagram showing a basic circuit for signal detection of a QWIP optical sensor array.
1 Sensor 2 Input FET
3 Storage capacitor 4 (first) reset FET
5 (first) reset power supply 6 (first) constant current source FET
7 (First) Constant Current Source 8 Sensor Bias Power 9 Signal Output 11 Reset Switch FET
12 Sample hold switch FET
13 Sample hold reset switch FET
14 Second reset FET
15 Second reset power supply 16 Second constant current source FET
17 Second constant current power source 18 Sample hold reset power source

Claims (3)

複数の光センサを二次元マトリクス状に配列した光センサアレイと、前記光センサ個々に対応して信号検出する信号検出回路を二次元マトリクス状に配列した検出回路基板とを有する光検出器において、
しきい値電圧以下の直流ゲート電圧により制御され、直流定電流を出力する第1の定電流源トランジスタと、
定電流パルスを出力する第2の定電流源トランジスタと、
前記直流定電流を所定期間蓄積する蓄積容量と、
前記所定期間の経過後、前記第2の定電流源トランジスタのしきい値電圧以上に達した前記蓄積容量の電圧を保持して前記第2の定電流源トランジスタのゲートに供給するサンプルホールド回路と、
前記信号検出回路に設けられ、前記光センサ毎の暗電流を前記直流定電流及び前記定電流パルスにより相殺する暗電流相殺回路と、
を有することを特徴とする光検出器。
In a photodetector having an optical sensor array in which a plurality of optical sensors are arranged in a two-dimensional matrix, and a detection circuit board in which signal detection circuits for detecting signals corresponding to the individual optical sensors are arranged in a two-dimensional matrix.
A first constant current source transistor which is controlled by a DC gate voltage equal to or lower than a threshold voltage and outputs a DC constant current;
A second constant current source transistor that outputs a constant current pulse;
A storage capacity for storing the DC constant current for a predetermined period;
A sample-and-hold circuit that holds the voltage of the storage capacitor that has reached the threshold voltage of the second constant current source transistor after the predetermined period has elapsed and supplies the voltage to the gate of the second constant current source transistor; ,
A dark current canceling circuit that is provided in the signal detection circuit and cancels the dark current of each photosensor by the DC constant current and the constant current pulse;
A photodetector comprising:
前記信号検出回路は前記光センサと前記蓄積容量の接続を制御する入力トランジスタおよび前記蓄積容量の電荷を充放電するリセットトランジスタを有し、The signal detection circuit includes an input transistor that controls connection between the photosensor and the storage capacitor, and a reset transistor that charges and discharges the storage capacitor.
前記第1及び第2の定電流源トランジスタは前記入力トランジスタおよび前記リセットトランジスタとは逆のチャネル特性であることを特徴とする請求項1記載の光検出器。2. The photodetector according to claim 1, wherein the first and second constant current source transistors have channel characteristics opposite to those of the input transistor and the reset transistor.
前記第2の定電流源トランジスタは、ドレインがパルス電源に接続されることを特徴とする請求項1又は2記載の光検出器。The photodetector according to claim 1, wherein a drain of the second constant current source transistor is connected to a pulse power source.
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