CN115053113A - 红外线检测元件 - Google Patents
红外线检测元件 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115053113A CN115053113A CN202080095629.2A CN202080095629A CN115053113A CN 115053113 A CN115053113 A CN 115053113A CN 202080095629 A CN202080095629 A CN 202080095629A CN 115053113 A CN115053113 A CN 115053113A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- diode
- current
- mos transistor
- infrared detection
- type mos
- 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.)
- Pending
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims description 125
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 18
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 21
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims description 8
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 30
- 239000010408 film Substances 0.000 description 14
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 7
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 7
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 6
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 5
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 4
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 4
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 4
- 238000003331 infrared imaging Methods 0.000 description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000005459 micromachining Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
- G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
- G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
- G01J5/22—Electrical features thereof
- G01J5/24—Use of specially adapted circuits, e.g. bridge circuits
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
- G01J1/44—Electric circuits
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
- G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
- G01J5/22—Electrical features thereof
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
- G01K7/01—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using semiconducting elements having PN junctions
- G01K7/015—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using semiconducting elements having PN junctions using microstructures, e.g. made of silicon
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/02016—Circuit arrangements of general character for the devices
- H01L31/02019—Circuit arrangements of general character for the devices for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
- H01L31/02024—Position sensitive and lateral effect photodetectors; Quadrant photodiodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
- G01J1/44—Electric circuits
- G01J2001/4446—Type of detector
- G01J2001/446—Photodiode
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J2005/0077—Imaging
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
- G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
- G01J2005/202—Arrays
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
二极管(11)设置于基板(1)之上并与基板(1)隔热。正反馈电路(18)以在二极管(11)的电流因二极管(11)的温度变化而减少时使二极管(11)的电流进一步减少、在二极管(11)的电流因二极管(11)的温度变化而增加时使二极管(11)的电流进一步增加的方式提供正反馈循环。
Description
技术领域
本公开涉及将红外线变换为热而检测的热型红外线检测元件。
背景技术
红外线检测元件大致分为量子型和热型。量子型红外线检测元件是需要冷却设备的冷却型。另一方面，热型红外线检测元件是不需要冷却设备的非冷却型，所以能够实现小型化。热型红外线检测元件是将被红外线吸收体吸收的红外线变换为热并将由该热产生的温度变化变换为电信号的检测元件。
近年来，着眼于红外线检测元件向民生的应用的低价格化得到发展，并且实现了探测能力的提高。在使用了二极管作为红外线检测元件的温度传感器的情况下，各个二极管的温度变化率小，所以将多个二极管进行串联连接来提高检测灵敏度。
要求在红外线检测元件的温度探测部的有限的面积之中将尽可能多的二极管进行串联连接而配置。针对于此，提出了利用设置于遍及第1二极管的P型层和第2二极管的N型层地形成的凹部的表面的金属膜相互连接邻接的第1以及第2二极管的红外线检测元件(例如，参照专利文献1)。由此，邻接的二极管的间隔比利用氧化膜分离二极管间的情况小。因而，能够高密度地形成多个二极管，所以能够提高红外线检测元件的检测灵敏度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-265094号公报
发明内容
在以往的红外线检测元件中，为了提高检测灵敏度，需要增加温度探测部的串联连接的多个二极管的个数。当使二极管的个数增加时，导致红外线检测元件的大型化，且还需要高的电源电压。
本公开是为了解决如上所述的课题而完成的，其目的在于得到无需增加二极管的个数就能够提高检测灵敏度的红外线检测元件。
本公开提供一种红外线检测元件，其特征在于，具备：基板；二极管，设置于所述基板之上，与所述基板隔热；以及正反馈电路，以在所述二极管的电流因所述二极管的温度变化而减少时使所述二极管的电流进一步减少、在所述二极管的电流因所述二极管的温度变化而增加时使所述二极管的电流进一步增加的方式提供正反馈循环。
如以上那样构成的本公开的红外线检测元件无需增加二极管的个数就能够提高检测灵敏度。
附图说明
图1是示出实施方式1的红外线摄像装置的立体图。
图2是示出实施方式1的红外线检测元件的俯视图。
图3是沿着图1的I－II的剖视图。
图4是示出实施方式1的红外线检测元件的电路图。
图5是示出电流镜电路的电路图。
图6是示出电流镜电路的电路图。
图7是示出实施方式1的红外线检测元件的二极管的电压－电流特性的图。
图8是示出实施方式2的红外线检测元件的电路图。
图9是示出电流镜电路的电路图。
图10是示出电流镜电路的电路图。
图11是示出实施方式3的红外线检测元件的电路图。
图12是示出实施方式3的红外线检测元件的变形例的电路图。
图13是示出实施方式4的红外线检测元件的电路图。
图14是示出实施方式4的红外线检测元件的变形例的电路图。
图15是示出实施方式5的红外线检测元件的电路图。
图16是示出实施方式6的红外线检测元件的电路图。
图17是示出实施方式6的红外线检测元件的变形例的电路图。
图18是示出实施方式7的红外线检测元件的电路图。
图19是示出实施方式8的红外线检测元件的电路图。
图20是示出实施方式9的红外线检测元件的电路图。
(符号说明)
1：基板；8：红外线探测部；11：二极管；18：正反馈电路；20：电流镜电路；21：控制电路；22：电流源；23：差动积分电路；24：驱动线；26：虚拟驱动线；27：信号线；Mdp、Mmp、Mcp、Mmp′、Mcp′：P型MOS晶体管；Mdn、Mmn、Mcn、Mmn′、Mcn′、Msu：N型MOS晶体管；Rpix：电阻；SW2：开关。
具体实施方式
参照附图，说明实施方式的红外线检测元件。有时对相同的或者对应的构成要素附加相同的符号，省略说明的重复。
实施方式1.
图1是示出实施方式1的红外线摄像装置的立体图。在基板1之上以阵列状或者矩阵状2维地配置有多个红外线检测元件2。选择线3和信号线4沿着多个红外线检测元件2设置。选择线3连接于驱动扫描电路5。信号线4连接于信号扫描电路6。驱动扫描电路5和信号扫描电路6设置于多个红外线检测元件2的周围。由驱动扫描电路5和信号扫描电路6选择的红外线检测元件2的输出信号被包括积分电路的输出放大器7放大。
图2是示出实施方式1的红外线检测元件的俯视图。红外线检测元件2具有通过微加工技术形成的隔热构造。在隔热构造之上形成有红外线探测部8。红外线探测部8利用隔热构造与基板1隔热。当红外线入射时，红外线探测部8的温度上升。红外线探测部8检测该温度上升并作为电信号而输出。通过驱动扫描电路5和信号扫描电路6的扫描动作按照时间序列读出多个红外线检测元件2的输出信号，得到红外线图像信号。
图3是沿着图1的I－II的剖视图。红外线检测元件2包括红外线探测区域和电路区域。基板1例如是SOI(Silicon On Insulator，绝缘体上硅)基板。在红外线探测区域中，空洞部9设置于基板1。红外线探测部8在从基板1分离的状态下配置于空洞部9内，被支承脚10支承。空洞部9是上述隔热构造。
红外线探测部8是具有作为温度传感器而串联连接的多个二极管11的像素。二极管11是肖特基二极管、隧道二极管等。也可以不设置二极管11而设置电特性因温度而发生变化的其它热电变换元件。在覆盖二极管11的绝缘膜12之上依次设置有薄膜布线13、层间绝缘膜14以及保护膜15。薄膜布线13连接于二极管11。在保护膜15之上，设置有具有用于吸收红外线的伞构造的红外线吸收部16。
支承脚10包括绝缘膜12、层间绝缘膜17、薄膜布线13、层间绝缘膜14以及保护膜15的层叠构造。绝缘膜12、层间绝缘膜17、层间绝缘膜14以及保护膜15例如包含氧化硅或者氮化硅。薄膜布线13包含铝、Ti、TiN、Ni、Cr、Pt等金属或者多晶硅。
在电路区域中，设置有正反馈电路18和与正反馈电路18连接的布线19。正反馈电路18例如具有扫描电路、电流源电路、电源电路、积分电路或者MOS(Metal OxideSemiconductor，金属氧化物半导体)晶体管。
在红外线检测元件2中，入射的红外线被红外线吸收部16吸收而成为热，该热被传递给红外线探测部8。红外线探测部8的温度上升，从而红外线探测部8所包含的二极管11的电特性发生变化。与二极管11的p侧以及n侧分别连接的薄膜布线13经由支承脚10连接于布线19。二极管11的电特性的变化经由薄膜布线13以及布线19作为电信号而取出到正反馈电路18，用于入射的红外线的检测。
图4是示出实施方式1的红外线检测元件的电路图。红外线探测部8具有串联连接的多个二极管11。二极管11的阳极连接于第1电源VDD。作为红外线检测元件2的输出电压Vpix而输出二极管11的阴极电压。
正反馈电路18具有P型MOS晶体管Mdp和电流镜电路20。P型MOS晶体管Mdp从栅极输入二极管11的阴极电压。P型MOS晶体管Mdp的源极连接于第2电源VDS。
电流镜电路20输入P型MOS晶体管Mdp的漏极电流。电流镜电路20的输出连接于二极管11的阴极。图5以及图6是示出电流镜电路的电路图。图5的电流镜电路20包括N型MOS晶体管Mmn、Mcn。N型MOS晶体管Mmn的漏极与栅极相互连接，且连接于N型MOS晶体管Mcn的栅极。N型MOS晶体管Mmn、Mcn的源极分别接地。输入电流Iin被输入到N型MOS晶体管Mmn的漏极，输出电流Iout被输入到N型MOS晶体管Mcn的漏极。图6的电流镜电路20包括N型MOS晶体管Mmn、Mcn、Mmn′、Mcn′。N型MOS晶体管Mmn的漏极与栅极相互连接，且连接于N型MOS晶体管Mcn的栅极。N型MOS晶体管Mmn、Mcn的源极分别接地。N型MOS晶体管Mmn′的漏极与栅极相互连接，且连接于N型MOS晶体管Mcn′的栅极。N型MOS晶体管Mmn′、Mcn′的源极分别连接于N型MOS晶体管Mmn、Mcn的漏极。输入电流Iin被输入到N型MOS晶体管Mmn′的漏极，输出电流Iout被输入到N型MOS晶体管Mcn′的漏极。
在这样的结构的红外线检测元件中，当多个二极管11的温度上升时，多个二极管11的正向电压Vf减少。因而，从电源VDD的电压减去电压Vf而得到的电压即P型MOS晶体管Mdp的栅极电压增加，P型MOS晶体管Mdp的电流Id减少。电流镜电路20根据该电流减少使二极管11的电流If减少。由此，正向电压Vf进一步减少。
另外，当二极管11的温度下降时，多个二极管11的正向电压Vf增加。因而，P型MOS晶体管Mdp的栅极电压减少，P型MOS晶体管Mdp的电流Id增加。电流镜电路20根据该电流增加使二极管11的电流If增加。由此，二极管11的正向电压Vf进一步增加。因而，会对二极管11的正向电压Vf和电流If的变化提供正反馈循环。
图7是示出实施方式1的红外线检测元件的二极管的电压－电流特性的图。比较例不具有实施方式1的红外线检测元件的正反馈电路18，是由电流源以恒定电流驱动二极管11的结构。在比较例中，只是当二极管11的温度上升时，二极管的电压Vf减少。在本实施方式中，当作为温度传感器的二极管11的温度因入射红外线而上升时，二极管11的正向电压Vf减少。因而，从电源VDD的电压减去电压Vf而得到的电压即P型MOS晶体管Mdp的栅极电压增加，P型MOS晶体管Mdp的电流Id减少。电流镜电路20根据该电流减少使二极管11的电流If减少。由此，正向电压Vf进一步减少。因而，能够得到比较例的二极管的恒定电流动作中的入射红外线吸收所致的从1个二极管得到的电压变化以上的电压变化。其结果，无需增加二极管的个数就能够提高红外线检测元件的检测灵敏度。
此外，为了使电路动作稳定，优选将二极管11的阻抗设为Z，将P型MOS晶体管Mdp的互导设为gmd，将电流镜电流比(输出/输入)设为κ，满足0<κ·gmd·Z<1的关系。
实施方式2.
图8是示出实施方式2的红外线检测元件的电路图。多个二极管11的阴极接地。二极管11的阳极电压作为热型红外线检测元件的输出电压Vpix而输出。
正反馈电路18具有N型MOS晶体管Mdn和电流镜电路20。N型MOS晶体管Mdn从栅极输入二极管11的阳极电压。N型MOS晶体管Mdn的源极接地。
电流镜电路20输入N型MOS晶体管Mdn的漏极电流。电流镜电路20的输出连接于二极管11的阳极。图9以及图10是示出电流镜电路的电路图。图9的电流镜电路20包括P型MOS晶体管Mmp、Mcp。P型MOS晶体管Mmp的漏极与栅极相互连接，且连接于P型MOS晶体管Mcp的栅极。P型MOS晶体管Mmp、Mcp的源极分别连接于电源VDD。从P型MOS晶体管Mmp的漏极引出输入电流Iip，从P型MOS晶体管Mcp的漏极引出输出电流Iout。图10的电流镜电路20包括P型MOS晶体管Mmp、Mcp、Mmp′、Mcp′。P型MOS晶体管Mmp的漏极与栅极相互连接，且连接于P型MOS晶体管Mcp的栅极。P型MOS晶体管Mmp、Mcp的源极分别连接于电源VDD。P型MOS晶体管Mmp′的漏极与栅极相互连接，且连接于P型MOS晶体管Mcp′的栅极。P型MOS晶体管Mmp′、Mcp′的源极分别连接于P型MOS晶体管Mmp、Mcp的漏极。从P型MOS晶体管Mmp′的漏极引出输入电流Iip，从P型MOS晶体管Mcp′的漏极引出输出电流Iout。
在这样的结构的红外线检测元件中，当多个二极管11的温度上升时，多个二极管11的正向电压Vf减少。因而，N型MOS晶体管Mdn的栅极电压减少，N型MOS晶体管Mdn的电流Id减少。电流镜电路20根据该电流减少使二极管11的电流If减少。由此，电压Vf进一步减少。
另外，当二极管11的温度下降时，多个二极管11的正向电压Vf增加。因而，N型MOS晶体管Mdn的栅极电压增加，N型MOS晶体管Mdn的电流Id增加。电流镜电路20根据该电流增加使二极管11的电流If增加。由此，二极管11的正向电压Vf进一步增加。
因而，会对二极管11的正向电压Vf和电流If的变化提供正反馈循环。因而，如参照图7在实施方式1中说明那样，能够得到比较例的二极管的恒定电流动作中的入射红外线吸收所致的从1个二极管得到的电压变化以上的电压变化。其结果，无需增加二极管的个数就能够提高红外线检测元件的检测灵敏度。
此外，为了使电路动作稳定，优选将二极管11的阻抗设为Z，将N型MOS晶体管Mdn的互导设为gmd，将电流镜电流比(输出/输入)设为κ，满足0<κ·gmd·Z<1的关系。
实施方式3.
图11是示出实施方式3的红外线检测元件的电路图。电阻Rpix连接于二极管11的阴极与电流镜电路20的输出之间。当二极管11的温度上升时，二极管电压Vf减少，二极管11的电流If因正反馈循环而减少，二极管电压Vf进一步减少。此时，红外线检测元件的输出电压Vpix根据二极管电压Vf和由二极管11的电流If所产生的电阻Rpix处的电压下降量决定。当二极管11的电流If减少时，电阻Rpix处的电压下降量也减少，所以红外线检测元件的输出电压Vpix的变化进一步变大。由此，能够实现高灵敏度的红外线检测元件。其它结构以及效果与实施方式1相同。
如果二极管11的电流If是几μA量级，则使用几kΩ左右的高电阻作为电阻Rpix。由此，能够增大由二极管11的电流If所产生的电阻Rpix处的电压下降量。
图12是示出实施方式3的红外线检测元件的变形例的电路图。电阻Rpix连接于二极管11的阳极与电流镜电路20的输出之间。由此，能够实现高灵敏度的红外线检测元件。其它结构以及效果与实施方式2相同。
实施方式4.
图13是示出实施方式4的红外线检测元件的电路图。由N型MOS晶体管构成图11所示的实施方式3的电阻Rpix。不限于所入射的红外线所致的温度上升，在使用红外线检测元件时的红外线检测元件的周围的温度即环境温度变高的情况下，二极管11的电流If也减少，增益发生变化。因而，控制电路21根据环境温度使作为电阻Rpix的N型MOS晶体管的栅极电压VAMB变化，环境温度越高，则越减小电阻Rpix的电阻值。由此，能够减少环境温度变化所致的增益变化。此外，相对于环境温度变化而在线性区域动作范围使用N型MOS晶体管。其它结构以及效果与实施方式3相同。
图14是示出实施方式4的红外线检测元件的变形例的电路图。由N型MOS晶体管构成图12所示的实施方式3的变形例的电阻Rpix。控制电路21根据环境温度使N型MOS晶体管的栅极电压VAMB变化，环境温度越高，则越减小电阻Rpix的电阻值。由此，能够减少环境温度变化所致的增益变化。其它结构以及效果与实施方式3的变形例相同。
实施方式5.
图15是示出实施方式5的红外线检测元件的电路图。二极管11的阳极和P型MOS晶体管Mdp的源极连接于相同的电源VDD。由此，二极管11的阳极电压与P型MOS晶体管Mdp的源极电压相同，所以在电源电压变动时，红外线检测元件的灵敏度不产生变化。另外，没有电源电压变动所致的增益变化。其它结构以及效果与实施方式3相同。
实施方式6.
图16是示出实施方式6的红外线检测元件的电路图。电流镜电路20具有级联(cascode)连接的N型MOS晶体管Mmn、Mcn、Mmn′、Mcn′。N型MOS晶体管Mmn的漏极与栅极相互连接，且连接于N型MOS晶体管Mcn的栅极。N型MOS晶体管Mmn、Mcn的源极分别接地。N型MOS晶体管Mmn′的漏极与栅极相互连接，且连接于N型MOS晶体管Mcn′的栅极。N型MOS晶体管Mmn′、Mcn′的源极分别连接于N型MOS晶体管Mmn、Mcn的漏极。N型MOS晶体管Mmn′的漏极连接于P型MOS晶体管Mdp的漏极，N型MOS晶体管Mcn′的漏极连接于电阻Rpix。由此，电流镜电路20的N型MOS晶体管Mmn与N型MOS晶体管Mcn的漏极电压一致，电流镜电路20的电流的复制精度提高。其它结构以及效果与实施方式3相同。
图17是示出实施方式6的红外线检测元件的变形例的电路图。电流镜电路20具有级联连接的P型MOS晶体管Mmp、Mcp、Mmp′、Mcp′。P型MOS晶体管Mmp的漏极与栅极相互连接，且连接于P型MOS晶体管Mcp的栅极。P型MOS晶体管Mmp、Mcp的源极分别连接于电源VDD。P型MOS晶体管Mmp′的漏极与栅极相互连接，且连接于P型MOS晶体管Mcp′的栅极。P型MOS晶体管Mmp′、Mcp′的源极分别连接于P型MOS晶体管Mmp、Mcp的漏极。P型MOS晶体管Mmp′的漏极连接于N型MOS晶体管Mdn的漏极，P型MOS晶体管Mcp′的漏极连接于电阻Rpix。由此，电流镜电路20的P型MOS晶体管Mmp与P型MOS晶体管Mcp的漏极电压一致，电流镜电路20的电流的复制精度提高。其它结构以及效果与实施方式4相同。
实施方式7.
图18是示出实施方式7的红外线检测元件的电路图。电流镜电路20具有N型MOS晶体管Mmn、Mcn。N型MOS晶体管Mmn的漏极与栅极相互连接，且连接于N型MOS晶体管Mcn的栅极。N型MOS晶体管Mmn、Mcn的源极分别接地。N型MOS晶体管Mmn的漏极连接于P型MOS晶体管Mdp的漏极，N型MOS晶体管Mcn的漏极连接于红外线探测部8。N型MOS晶体管Msu以二极管的方式连接于二极管11的阴极与电流镜电路20的电流源的N型MOS晶体管Mmn、Mcn的栅极之间。N型MOS晶体管Msu的栅极以及漏极连接于二极管11的阴极，N型MOS晶体管Msu的源极连接于N型MOS晶体管Mmn、Mcn的栅极。MOS晶体管Msu的阈值电压被设定成比施加到二极管11的阳极的电源VDD的电压低，比正常动作电压范围高，上述正常动作电压范围是因来自作为红外线检测元件的检测对象的被拍摄物温度范围(下限温度至上限温度)的物体的红外线入射而变化的二极管11的阴极电压Vpix的上限值和下限值的电压范围。其它结构与实施方式1相同。
在实施方式1的情况下，在If＝0、Vg＝0、Vpix＝VDD的情况下也存在稳定点。在本实施方式中，在启动不良时，MOS晶体管Msu成为接通，强制地下调电压Vpix，从而能够按照MOS晶体管Mdp、Mmn、Mcn的顺序使电流流过，可靠地进行红外线检测元件的启动。除此之外，能够得到与实施方式1同样的效果。
实施方式8.
图19是示出实施方式8的红外线检测元件的电路图。多个红外线探测部8排列成阵列状。针对排列成阵列状的多个红外线探测部8的每个列设置正反馈电路18、电流源22以及差动积分电路23。各红外线探测部8具有串联连接的多个二极管11。因而，针对串联连接的多个二极管11的每个列设置正反馈电路18。电流镜电路20的MOS晶体管Mmn、Mcn是相同的规格，电流镜电路20的电流镜比κ是1。
多个红外线探测部8的二极管11的阳极沿着多个红外线探测部8的排列方向依次连接于驱动线24。驱动线24的一端连接于电源VDD。多个正反馈电路18的P型MOS晶体管Mdp的源极沿着多个红外线探测部8的排列方向依次连接于电路电源线25。电路电源线25的一端连接于电源VDS。多个电流源22沿着多个红外线探测部8的排列方向依次连接于虚拟(dummy)驱动线26。
电路电源线25、驱动线24以及虚拟驱动线26具有相同的电阻。电流源22具有规格与对应的电流镜电路20的MOS晶体管Mmn、Mcn相同的MOS晶体管Mcd。对应的电流镜电路20的MOS晶体管Mmn、Mcn的栅极与电流源22的N型MOS晶体管Mcd的栅极共同连接。N型MOS晶体管Mcd的源极接地，N型MOS晶体管Mcd的漏极连接于虚拟驱动线26。电流源22的电流值被设定成沿着多个红外线探测部8的排列方向的虚拟驱动线26的电位分布和驱动线24的电位分布相同。因而，在虚拟驱动线26上模拟驱动线24的电压下降。
红外线探测部8的二极管11与驱动线24的连接点以及对应的电流源22与虚拟驱动线26的连接点在多个红外线探测部8的排列方向处于相同的位置。差动积分电路23将对应的电流镜电路20的输出电压与对应的电流源22与虚拟驱动线26的连接点的电压的差分进行放大而输出。由此，即使因某个二极管11的电流变化而产生驱动线24的电压变化，也能够消除其它二极管11对红外线探测部8的输出的影响。
实施方式9.
图20是示出实施方式9的红外线检测元件的电路图。信号线27将二极管11的阴极连接于对应的差动积分电路23。开关SW1连接于对二极管11供给电压的电源VDD与二极管11的阳极之间。开启用的开关SW2连接于虚拟驱动线26与信号线27之间。具体而言，开关SW2的一端连接于信号线路27，开关SW2的另一端连接于差动积分电路23、N型MOS晶体管Mcd的漏极、虚拟驱动线26。
利用开关SW2在水平消隐期间使信号线27与虚拟驱动线26短路，强制地下调P型MOS晶体管Mdp的栅极电压而使电流流动。由此，能够正常地进行红外线检测元件的启动。例如，在与开关SW1反转的定时使开关SW2进行动作。
Claims (14)
1.一种红外线检测元件，其特征在于，具备：
基板；
二极管，设置于所述基板之上，与所述基板隔热；以及
正反馈电路，以在所述二极管的电流因所述二极管的温度变化而减少时使所述二极管的电流进一步减少、在所述二极管的电流因所述二极管的温度变化而增加时使所述二极管的电流进一步增加的方式提供正反馈循环。
2.根据权利要求1所述的红外线检测元件，其特征在于，
所述正反馈电路具有：
P型MOS晶体管，从栅极输入所述二极管的阴极电压；以及
电流镜电路，输入所述P型MOS晶体管的漏极电流，该电流镜电路的输出连接于所述二极管的阴极。
3.根据权利要求2所述的红外线检测元件，其特征在于，
将所述二极管的阻抗设为Z，将所述P型MOS晶体管的互导设为gmd，将所述电流镜电路的电流镜电流比设为κ，0<κ·gmd·Z<1。
4.根据权利要求1所述的红外线检测元件，其特征在于，
所述正反馈电路具有：
N型MOS晶体管，从栅极输入所述二极管的阳极电压；以及
电流镜电路，输入所述N型MOS晶体管的漏极电流，该电流镜电路的输出连接于所述二极管的阳极。
5.根据权利要求4所述的红外线检测元件，其特征在于，
将所述二极管的阻抗设为Z，将所述N型MOS晶体管的互导设为gmd，将所述电流镜电路的电流镜电流比设为κ，0<κ·gmd·Z<1。
6.根据权利要求2～5中的任意一项所述的红外线检测元件，其特征在于，
所述红外线检测元件还具备连接于所述二极管与所述电流镜电路的输出之间的电阻。
7.根据权利要求6所述的红外线检测元件，其特征在于，
所述电阻由MOS晶体管构成，
所述红外线检测元件还具备控制电路，该控制电路根据使用所述红外线检测元件时的所述红外线检测元件的周围的温度即环境温度使所述MOS晶体管的栅极电压变化，所述环境温度越高，则越减小所述电阻的电阻值。
8.根据权利要求2或者3所述的红外线检测元件，其特征在于，
所述二极管的阳极和所述P型MOS晶体管的源极连接于相同的电位。
9.根据权利要求2～8中的任意一项所述的红外线检测元件，其特征在于，
所述电流镜电路具有级联连接的晶体管。
10.根据权利要求2或者3所述的红外线检测元件，其特征在于，
所述红外线检测元件还具备MOS晶体管，该MOS晶体管以二极管的方式连接于所述二极管的阴极与所述电流镜电路的晶体管的栅极之间，
所述MOS晶体管的阈值电压被设定成比施加到所述二极管的阳极的电源电压低且比正常动作电压范围高，所述正常动作电压范围是因来自作为所述红外线检测元件的检测对象的温度范围的物体的红外线入射而变化的所述二极管的阴极电压的上限值和下限值的电压范围。
11.一种红外线检测元件，具备：
基板；
多个红外线探测部，以阵列状排列于所述基板之上；以及
正反馈电路，针对以阵列状排列的所述多个红外线探测部的每个列而设置，
各红外线探测部具有多个二极管，该多个二极管串联连接并与所述基板隔热，
各正反馈电路以在对应的所述红外线探测部的所述二极管的电流因所述二极管的温度变化而减少时使所述二极管的电流进一步减少、在所述二极管的电流因所述二极管的温度变化而增加时使所述二极管的电流进一步增加的方式提供正反馈循环。
12.根据权利要求11所述的红外线检测元件，其特征在于，
各正反馈电路具有：
P型MOS晶体管，从栅极输入对应的所述红外线探测部的所述二极管的阴极电压；以及
电流镜电路，输入所述P型MOS晶体管的漏极电流，该电流镜电路的输出连接于所述二极管的阴极，
所述红外线检测元件还具备：
驱动线，沿着所述多个红外线探测部的排列方向依次连接所述多个红外线探测部的所述二极管的阳极，
多个电流源，针对所述多个正反馈电路分别设置；
虚拟驱动线，沿着所述排列方向依次连接所述多个电流源；以及
多个差动积分电路，针对所述多个红外线探测部分别设置，
所述驱动线以及所述虚拟驱动线具有相同的电阻，
所述多个电流源的电流值被设定成使沿着所述排列方向的所述虚拟驱动线的电位分布和所述驱动线的电位分布相同，
所述差动积分电路输出对应的所述电流镜电路的输出电压与对应的所述电流源与所述虚拟驱动线的连接点的电压的差分。
13.根据权利要求12所述的红外线检测元件，其特征在于，
所述电流源具有规格与对应的所述电流镜电路的MOS晶体管相同的MOS晶体管，
对应的所述电流镜电路的MOS晶体管的栅极与所述电流源的MOS晶体管的栅极共同连接。
14.根据权利要求12或者13所述的红外线检测元件，其特征在于，还具备：
信号线，将所述二极管的阴极连接于对应的所述差动积分电路；以及
开关，连接于所述虚拟驱动线与所述信号线之间。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020020770 | 2020-02-10 | ||
| JP2020-020770 | 2020-02-10 | ||
| PCT/JP2020/048675 WO2021161675A1 (ja) | 2020-02-10 | 2020-12-25 | 赤外線検出素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115053113A true CN115053113A (zh) | 2022-09-13 |
Family
ID=77292361
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202080095629.2A Pending CN115053113A (zh) | 2020-02-10 | 2020-12-25 | 红外线检测元件 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US11971306B2 (zh) |
| EP (1) | EP4105617A4 (zh) |
| JP (1) | JP7120463B2 (zh) |
| CN (1) | CN115053113A (zh) |
| WO (1) | WO2021161675A1 (zh) |
Family Cites Families (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0949762A (ja) * | 1995-08-09 | 1997-02-18 | Mitsubishi Electric Corp | 光量電圧変換回路 |
| US6028309A (en) * | 1997-02-11 | 2000-02-22 | Indigo Systems Corporation | Methods and circuitry for correcting temperature-induced errors in microbolometer focal plane array |
| JP2002328732A (ja) | 2001-05-07 | 2002-11-15 | Texas Instr Japan Ltd | 基準電圧発生回路 |
| JP3866069B2 (ja) * | 2001-09-26 | 2007-01-10 | 株式会社東芝 | 赤外線固体撮像装置 |
| JP3920763B2 (ja) * | 2001-11-29 | 2007-05-30 | 株式会社東芝 | センサ装置 |
| JP2005210558A (ja) * | 2004-01-26 | 2005-08-04 | Nec Kansai Ltd | 光電流・電圧変換回路 |
| JP3974902B2 (ja) | 2004-02-27 | 2007-09-12 | 三菱電機株式会社 | 熱型赤外線検出素子 |
| JP2007225398A (ja) * | 2006-02-22 | 2007-09-06 | Mitsubishi Electric Corp | 熱型赤外線検出器および熱型赤外線センサ |
| JP5127278B2 (ja) * | 2007-04-05 | 2013-01-23 | 三菱電機株式会社 | 熱型赤外線固体撮像素子及び赤外線カメラ |
| JP5264418B2 (ja) * | 2008-01-08 | 2013-08-14 | 三菱電機株式会社 | 熱型赤外線検出素子 |
| US8357900B2 (en) | 2008-01-08 | 2013-01-22 | Mitsubishi Electric Corporation | Thermal infrared detecting device |
| JP5264597B2 (ja) | 2008-04-03 | 2013-08-14 | 三菱電機株式会社 | 赤外線検出素子及び赤外線固体撮像装置 |
| JP4959735B2 (ja) | 2009-02-23 | 2012-06-27 | 三菱電機株式会社 | 熱型赤外線検出素子 |
| JP5425127B2 (ja) * | 2011-03-09 | 2014-02-26 | 株式会社東芝 | 固体撮像素子 |
| JP2013200187A (ja) * | 2012-03-23 | 2013-10-03 | Toshiba Corp | 非冷却型赤外線撮像装置 |
| US9500752B2 (en) * | 2013-09-26 | 2016-11-22 | Varian Medical Systems, Inc. | Pixel architecture for imaging devices |
| JP6436728B2 (ja) | 2014-11-11 | 2018-12-12 | エイブリック株式会社 | 温度検出回路及び半導体装置 |
| CN106248219A (zh) * | 2016-07-15 | 2016-12-21 | 天津大学 | 用于无tec红外成像系统的cmos工艺集成温度传感器 |
| WO2018235817A1 (ja) * | 2017-06-23 | 2018-12-27 | パイオニア株式会社 | 電磁波検出装置 |
-
2020
- 2020-12-25 US US17/781,735 patent/US11971306B2/en active Active
- 2020-12-25 JP JP2021530257A patent/JP7120463B2/ja active Active
- 2020-12-25 CN CN202080095629.2A patent/CN115053113A/zh active Pending
- 2020-12-25 EP EP20918160.1A patent/EP4105617A4/en active Pending
- 2020-12-25 WO PCT/JP2020/048675 patent/WO2021161675A1/ja unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US11971306B2 (en) | 2024-04-30 |
| EP4105617A1 (en) | 2022-12-21 |
| WO2021161675A1 (ja) | 2021-08-19 |
| JP7120463B2 (ja) | 2022-08-17 |
| EP4105617A4 (en) | 2023-08-16 |
| JPWO2021161675A1 (zh) | 2021-08-19 |
| US20230003584A1 (en) | 2023-01-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6809320B2 (en) | Solid-state infrared imager | |
| US7728297B2 (en) | Infrared array sensor | |
| JP5127278B2 (ja) | 熱型赤外線固体撮像素子及び赤外線カメラ | |
| JP5834412B2 (ja) | 赤外線センサー及び赤外線アレイセンサー | |
| US6483111B1 (en) | Thermal infrared-detector array and method of fabrication thereof | |
| US8552357B2 (en) | Photoelectric conversion apparatus | |
| US9105553B2 (en) | Solid-state imaging apparatus with plural current source circuits | |
| EP0331695B1 (en) | Read-out amplifier for photovoltaic detector | |
| JPH09284651A (ja) | 熱型赤外線撮像装置およびその駆動方法 | |
| JP5339747B2 (ja) | 赤外線固体撮像装置 | |
| JP5425127B2 (ja) | 固体撮像素子 | |
| US7145142B2 (en) | Sensor device which detects a physical change amount or a chemical change amount | |
| WO2000023774A1 (fr) | Capteur infrarouge et ensemble capteur infrarouge comprenant celui-ci | |
| JP2009186457A (ja) | 熱型赤外線検出素子 | |
| JP2007225398A (ja) | 熱型赤外線検出器および熱型赤外線センサ | |
| CN115053113A (zh) | 红外线检测元件 | |
| JP2008022315A (ja) | 熱型赤外線検出回路 | |
| JP3920763B2 (ja) | センサ装置 | |
| JP2009168611A (ja) | 赤外線固体撮像素子 | |
| JP2009265000A (ja) | 熱型赤外線検出素子 | |
| JP5517411B2 (ja) | 赤外線センサ、及び赤外線固体撮像装置 | |
| JP4959735B2 (ja) | 熱型赤外線検出素子 | |
| US6437378B1 (en) | Charge coupled devices including charge signal amplifiers therein | |
| US20220349749A1 (en) | Active Thin-Film Charge Sensor Element | |
| US20230145351A1 (en) | Pixel for infrared imager integrating a bdi bias and an active reset |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |