JP3806042B2 - 熱型赤外線固体撮像素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、入射赤外線による温度変化を２次元配列された半導体センサで検出する熱型赤外線固体撮像素子に関し、特に、半導体センサからの電気信号を信号処理回路にて積分処理した後に出力する熱型赤外線固体撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０及び図１１は、Proc.SPIE Vol.3698 1999 556頁から564頁に記載された従来の熱型赤外線固体撮像素子である。図１０（ａ）及び（ｂ）に示ように、赤外線撮像素子の画素１において、温度センサとなるＰＮ接合ダイオード９０２は、２本の長い支持脚１１０１によってシリコン基板１１０２に設けられた中空部１１０３の上に支持されており、ダイオード９０２の電極配線１１０４が支持脚１１０１に埋め込まれている。ＰＮ接合ダイオード９０２は、感度を高めるために複数個が直列に接続されている。中空部１１０３は、ダイオード９０２とシリコン基板１１０２との間の熱抵抗を高めて、断熱構造を形成している。ダイオード９０２は、基板１１０２と独立した層にする必要があるので、SOI基板を用いてSOI層上に形成されており、SOI層下の埋め込み酸化膜は中空構造を支持する構造体の一部になっている。また、ダイオード部に熱的に接触している赤外線吸収構造１１０６が、図の上方から入射する赤外線を効率良く吸収できるように、支持脚１１０１の上方に張り出した構造となっている。尚、図１０(ｂ)では下部の構造を判りやすくするため、図の前方の部分での赤外線吸収構造を除いて描いてある。
【０００３】
赤外線が画素１に入射すると、赤外線吸収構造１１０６で吸収され、上記の断熱構造により画素１の温度が変化し、温度センサとなるダイオード９０２の順方向電圧特性が変化する。このダイオード９０２の順方向電圧特性の変化量を、所定の検出回路で読み取ることにより、入射した赤外線量に応じた出力信号を取出すことができる。熱型赤外線固体撮像素子では、画素１が２次元に多数配列されており、それらを順にアクセスしていく構造となっている。このような素子では画素間の特性均一性が重要である。ダイオードの順方向電圧やその温度依存性は固体間のバラツキが非常に小さく、熱型赤外線撮像素子にとって温度センサにダイオードをもちいることは特性均一性を図る上で特に有効である。
【０００４】
図１１に、熱型赤外線固体撮像素子の回路構成を示す。画素１は、２次元に配列されており、行ごとに駆動線３によって接続され、列ごとに信号線５によって接続されている。垂直走査回路４とスイッチ９により駆動線３が順番に選択され、選択された駆動線３を介して電源６から画素１に通電される。画素１の陰極側に接続された信号線５の終端には定電流源２が備えられているため、画素１は定電流駆動となる。定電流源２の両端の電圧は積分回路３９で積分及び増幅され、水平走査回路８とスイッチ９によって順に出力端子１０へ出力される。
【０００５】
積分回路３９の内部を図１２に示す。ＭＯＳトランジスタ４０は、積分トランジスタでゲートが入力端子になる。積分容量４０は、トランジスタ４０に接続されており、周期的にトランジスタ２６によりリセットされる。バイアス線４１からはトランジスタ４０の動作点をきめるバイアス電圧が与えられる。ＭＯＳトランジスタ４０と積分容量２５とで、いわゆるゲート変調積分回路が構成されている。この積分回路の出力は、サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路２７でサンプリングされ、バッファアンプ２８を介して出力される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の熱型赤外線固体撮像素子では以下のような問題があった。
まず、図１１において、積分回路３９の入力には、定電流源２の両端の電圧が入力されるが、この電圧は電源６の電圧から画素１の両端の電圧と駆動線３での電圧降下を引いた値となる。ところが、駆動線３での電圧降下量は、画素列毎に異なるため、積分回路３９の出力も画素列毎に異なった値となってしまう。このため、撮像した画像に駆動線３の抵抗によるオフセット分布が発生してしまう。また、熱型赤外線固体撮像素子の赤外光に対するレスポンス、即ち、画素１の両端電圧の変化は、駆動線３における電圧降下成分にくらべはるかに小さいため、駆動線３による電圧降下分布によって増幅器が飽和等をおこし、必要な増幅度を確保できない問題もある。
【０００７】
また、積分回路３９の出力は、電源６の電圧変動の影響を直接受けるため、出力が不安定となり易い。即ち、図１２に示すようなＭＯＳトランジスタと積分容量により構成された積分回路を用いて検出を行った場合、図１１において、画素を駆動する電源６の電圧変動により、定電流源２の両端電圧が変化するため、積分回路３９の出力電圧が変化してしまう。
【０００８】
さらに、画素１のレスポンスには赤外光のレスポンス以外に素子温度変化によるレスポンスも含まれるため、素子温度制御を精密に行わないと素子出力が素子温度変化とともにドリフトする現象が現れ安定した画像取得ができない問題もある。即ち、図１０に示す画素１において、ダイオード９０２と基板１１０２は、完全に断熱されて、画素１の出力電圧が基板１１０２の温度変化の影響を受けないことが理想である。しかし、支持脚１１０１と中空部１１０３による断熱構造の熱抵抗は有限値をもつため、画素１の出力電圧は基板１１０２の温度変化によっても変化する。このため、検出動作を行っているときに、赤外線撮像装置の環境温度が変化して基板１１０２の温度が変化すると、検出部９０２の出力も変化してしまう。この環境温度の変化による出力変動は、入射赤外線の変化と区別がつかないため、赤外線の測定精度が低下して安定した画像取得ができない
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、駆動線の抵抗による電圧降下の影響の少ない熱型赤外線固体撮像素子を提供することを目的とする。さらに、電源電圧変動や素子温度変動による出力変動が少なく、安定した画像取得が可能な熱型赤外線固体撮像素子を提供することも目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の半導体装置は、少なくとも１個以上直列接続され、断熱構造と赤外線吸収構造を備えたダイオードによって画素が構成され、前記画素が２次元状に配列された画素エリアと、前記画素の陽極を行毎に共通接続した複数の駆動線と、前記画素の陰極を列毎に共通接続し、列毎の終端に第１の定電流化手段を備えた複数の信号線と、前記駆動線を順次選択し、選択した駆動線と画素用電源を接続する垂直走査回路と、前記信号線を順次選択し、選択した信号線について、前記第１の定電流化手段の両端電圧を前記信号線毎に設けられた積分回路を介して出力する水平駆動回路とを備えた熱型赤外線固体撮像素子であって、
前記信号線毎に、前記第１の定電流化手段の近傍に設けられ、前記第１の定電流化手段と実質的に同一の電流を流す第２の定電流化手段と、
前記第２の定電流化手段の入力端を前記駆動線と平行に共通接続し、前記駆動線と略同一の抵抗を有するバイアス線と、
前記バイアス線にバイアス電圧を与えるバイアス電圧出力回路とを有し、
前記積分回路が、前記第１の定電流化手段と前記第２の定電流化手段の両端電圧の差を一定時間積分して出力することを特徴とする。
【００１１】
第１、第２及び第３の定電流化手段には、定電流源又は負荷抵抗を用いることができる。バイアス線と駆動線が実質同じ抵抗であり、列毎に接続される第１の定電流化手段と第２の定電流化手段の電流も実質同じであるため、バイアス線と駆動線に現れる電圧分布は実質同じである。そして、列毎に接続された差動積分回路で両者は互いに減算されるので、駆動線とバイアス線に現れる電圧分布は積分回路出力によってキャンセルされる。したがって、撮像した画像から駆動線の抵抗によるオフセット分布を減少し、また、駆動線での電圧降下分布による増幅器の飽和等を防止して必要な増幅度を容易に確保することができる。
【００１２】
前記バイアス電圧出力回路は、前記画素電源によって駆動されて素子全体の温度に応じた参照信号を出力する参照信号出力回路と、前記参照信号出力回路の出力に接続されたバッファアンプとを有することが好ましい。これにより、バイアス線に、電源電圧変動と素子全体の温度変動による信号出力変化を校正するための基準信号が入力される。したがって、電源電圧変動と素子温度変動による信号のドリフトを差動積分回路で減算し、外部に出力しないようにすることができる。
【００１３】
また、前記バイアス電圧出力回路が、前記バッファアンプの入力側又は出力側の少なくとも一方に低域通過フィルタを備えることが好ましい。参照信号出力回路の出力と差動積分回路の入力端子の間に低域通過フィルタを入れ、環境温度や電源回路のドリフト等による電圧変動のみを通過するようにすることで、参照信号出力回路からの雑音を抑制し、差動による雑音増加を抑制することができる。
【００１４】
さらに、前記参照信号出力回路が、温度に応じて電気特性が変化する感温素子と、前記感温素子の陰極側に接続された第３の定電流化手段とを有し、前記第３の定電流化手段の両端電圧を参照信号として出力することが好ましい。これにより、参照信号出力回路から、赤外線吸収によらない素子の温度ドリフトを校正するための基準信号を出力することができる。
【００１５】
またさらに、前記参照信号出力回路が、Ｎ個（Ｎは自然数）の前記感温素子と、前記Ｎ個の感温素子の陰極側に共通に接続された１つの前記第３の定電流化手段とを有し、前記第３の定電流化手段が前記第１の定電流化手段のＮ倍の電流を流しても良い。素子面積がある程度広い場合には、素子面内に温度分布が存在する場合がある。また、感温素子の特性にばらつきがある場合がある。感温素子を複数個設けていることで、素子面内の温度分布の影響や感温素子の特性ばらつきを平均化することができる。
【００１６】
また、前記参照信号出力回路が、Ｎ個（Ｎは自然数）の前記感温素子と、前記感温素子の個々の陰極側に接続されたＮ個の前記第３の定電流化手段と、前記Ｎ個の第３の定電流化手段の両端電圧を平均化して参照信号として出力する平均化回路とを有するようにしても良い。
【００１７】
前記感温素子は、例えば、断熱構造と赤外線吸収構造の少なくとも一方を有しないことを除いて前記画素と実質同一構造の参照画素とすることができる。これにより、入射する赤外線に関係無く環境等による素子の温度変化だけを検出することができる。また、参照画素に代えて、サーミスタを感温素子として用いても良い。
【００１８】
前記積分回路は、前記第１の定電流化手段と前記第２の定電流化手段の両端電圧の差を差動電圧電流変換アンプによって電流に変換し、その電流を、前記差動電圧電流変換アンプに接続されて周期的に一定電圧にリセットされる容量に積分することが好ましい。これにより、積分回路の構成が演算増幅器を用いた場合にくらべて簡略になる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。尚、従来と同一又は対応する部材には、図１０乃至１２と同一の符号を付している。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る熱型赤外線固体撮像素子の回路構成を示す回路図である。従来の熱型赤外線固体撮像素子と同様に、複数個が直列接続され、赤外線吸収構造と断熱構造を備えたダイオードによって個々の画素１が構成されており、その画素１が２次元状に配列された画素エリアを構成している。画素１の各行ごとに駆動線３が共通して接続されている。また、画素１の各列ごとに信号線５が共通して接続され、各信号線５の終端には定電流源２が接続されている。また、垂直走査回路４とスイッチ９により駆動線３が順番に選択され、定電流源２の両端の電圧が積分回路７で積分及び増幅され、水平走査回路８とスイッチ９によって順に出力端子１０へ出力される。
【００２０】
本実施の形態に係る熱型赤外線固体撮像素子では、
（１）積分回路に差動積分回路７を用いる点、
（２）抵抗が駆動線３と実質同じであるバイアス線１７が駆動線３と平行に画素エリア外に設けられており、かつ、バイアス線の画素列毎に定電流源２と実質的に同じ電流を流す定電流源１８を設けている点、
（３）差動積分回路には、定電流源２と１８の両端電圧の差が入力される点、
において従来の熱型赤外線固体撮像素子と大きく異なっている。
【００２１】
定電流源２と定電流源１８の流す電流は同一であり、バイアス線１７と駆動線３の抵抗は実質的に同一であるので、バイアス線１７における電圧降下は駆動線３における電圧降下と同じになる。したがって、定電流源２と定電流源１８の両端電圧の差を差動積分回路７で一定時間積分して出力することにより、駆動線３の抵抗による電圧降下分布を差動積分回路で減算し、外部に出力しないようにすることができる。
【００２２】
また、本実施の形態に係る熱型赤外線固体撮像素子では、
（４）画素の駆動と共通の電源６によって駆動され、素子温度変化に応じた出力をだす参照信号出力回路１１を設け、参照信号出力回路１１の出力をバッファ１５を介してバイアス線１７に入力する回路構成（「バイアス電圧出力回路」）を有している点、においても従来の熱型赤外線固体撮像素子と大きく異なっている。
【００２３】
バイアス線１７には、画素１を駆動する電源６の電圧変動と素子全体の温度変動に対する信号出力変化が入力され、その信号が定電流源１８の両端電圧として差動積分回路１７に入力される。したがって、電源電圧変動と素子温度変動による信号のドリフトを差動積分回路７で減算し、外部に出力しないようにすることができる。
以下、本実施の形態に係る熱型赤外線固体撮像素子の具体的な構成について詳細に説明する。
【００２４】
〔バイアス電圧出力回路〕
まず、バイアス電圧出力回路について説明する。本実施の形態において、バイアス電圧出力回路は、参照信号出力回路１１、バッファアンプ１５、低域通過フィルタ１４及び１６から成っている。
【００２５】
参照信号出力回路１１は、画素エリア外に設けられた参照画素１２とそれに定電流を流す定電流源１３が直列接続された構成となっており、定電流源１３の両端電圧の差が出力される。参照画素１２は、入射する赤外線に関係無く環境等による素子の温度変化だけを検出することができるように赤外線吸収構造あるいは断熱構造の何れかまたは両方を除いた構造となっている。断熱構造を有しない画素を形成するには、例えば、図１０（ａ）（ｂ）に示した検出器の構造において、基板１１０２に中空部１１０３を形成しないか、あるいは支持脚１１０１の長さを画素１に比べ充分短くすれば良い。また、赤外線吸収構造を有しない画素を形成するには、例えば、図１０（ａ）（ｂ）の画素１において赤外線吸収構造１１０６の形成を省略すれば良い。また、電流源１３の電流は画素１に対する定電流源２と実質等しい電流である。したがって、参照信号出力回路１１からは、赤外線吸収によらない素子の温度ドリフトを校正するための基準信号を出力することができる。
【００２６】
そして、参照信号出力回路１１の出力は低域通過フィルタ１４で雑音除去され、バッファ１５で電流駆動能力を上げ、再び低域通過フィルタ１６で雑音除去されたのち、バイアス線１７に与えられる。
【００２７】
低域通過フィルタ１４と１６は参照画素１２と定電流源１３の雑音をカットし温度ドリフト成分のみを抽出するためのものである。即ち、低域通過フィルタ１４及び１６は、参照信号出力回路１１を設けることによる雑音の増大を防止する役割を果たしている。一般に、高Ｓ／Ｎを目指す赤外線検出器では、電源系の雑音は電源回路で充分低減されており、検出部からの雑音が装置の雑音主成分となる。従って、同一構成の画素１と参照画素１２の出力を差動積分回路７に入力すると、両者の雑音は無相関であるので、雑音は従来の√2倍になる。一方、環境温度変化による検出部出力変化や、環境温度変化に伴う電源回路特性変動による電源電圧の変化は、その変動が一般に秒オーダ以上の緩やかなものである。したがって、それをモニタするバイアス電圧出力回路の帯域は、赤外線を検出する信号ラインに必要な帯域にくらべて充分狭くてもよい。そこで、参照信号出力回路１１の出力と差動積分回路７の入力端子の間に低域通過フィルタ１４と１６を入れ、環境温度や電源回路のドリフト等による電圧変動のみを通過するようにすれば、参照信号出力回路１１からの雑音を抑制し、差動による雑音増加を抑制することができる。
【００２８】
尚、このような赤外線固体撮像素子の画素にとっての雑音帯域幅の代表的な値は数KHzであるので、その１/100以下にカットオフ周波数をきめておけば良い。電源電圧変動及び温度変動の観点からは、その変動周期は早くて秒オーダであるから数Hzの帯域があれば十分である。また、本実施の形態では低域通過フィルタをバッファ１５の前後に挿入しているが、何れか一方だけでもよい。
【００２９】
〔参照信号出力回路〕
本実施の形態では、参照信号出力回路１１を参照画素１２と電流源１３の直列接続構成としたが、他の参照信号出力回路の構成例を図２から５に示す。
図２は、参照画素１２を複数個並列にし、その個数分だけ電流をました定電流源１９を直列接続したものである。即ち、N個の参照画素１２を並列に配置した場合には、定電流源２のN倍の電流を定電流源１９によって流すようにする。熱型赤外線固体撮像素子の温度は、有限の大きさをもつ素子領域内で分布をもつことがあるので、複数の参照画素１２を素子領域内に適当に分布設置すれば、その平均温度に反映した出力をとりだすことができる。
【００３０】
また、同様な目的は、図３の構成の参照信号出力回路１１でも実現できる。図３では、参照画素１２と定電流源１３が直列接続されたものを一組として、その組み合わせた構成そのものを素子領域内に適当に分布設置し、各々の出力を平均化回路２０で平均化するものである。平均化回路２０は、演算増幅器を用いた周知の回路である加算回路と除算回路の組み合わせで実現できる。
【００３１】
図４の参照信号出力回路１１は、参照画素１２の代わりに、温度により抵抗が変化するサーミスタ２１を定電流源２２で定電流駆動させた例である。この構成では、バッファアンプ１５の出力電圧が図１の場合と同一になるように、サーミスタ２１の抵抗設定あるいは、定電流源２２の電流設定をする必要がある。また、バッファアンプ１５にレベルシフト動作を含めることによって、バッファ回路１５の出力電圧が図１の場合と同様になるようにしても良い。
【００３２】
さらに、図５の参照信号出力回路１１は、図４の構成で定電流源２２のかわりに負荷抵抗２３を用い、サーミスタ２１を定電流駆動させた例である。この例でも、バッファ回路１５の出力電圧が図１の場合と同様になるように、サーミスタ２１と負荷抵抗２３の抵抗を設定し、あるいは、バッファアンプ１５にレベルシフト動作を含める必要がある。
【００３３】
〔低域通過フィルタ〕
低域通過フィルタ１４及び１６の回路構成例を、図６(a)と図６(b)に示す。以下に示す構成は、低域通過フィルタ１４及び１６のいずれにも用いることができる。
図６(a)の低域通過フィルタは、受動素子を用いたもので３３は抵抗もしくはリアクタンスであり、３４は容量である。バッファアンプ１５の後側に挿入するフィルタ（＝低域通過フィルタ１６）としては直流電圧降下がないリアクタンスの方が望ましい。一方、バッファアンプ１５の手前側に設けるフィルタ（＝低域通過フィルタ１４）としては、フィルタとしての特性が得られ易い抵抗を用いる方が望ましい。また、抵抗３３は、電源回路６の内部抵抗あるいはバッファアンプ１５の内部抵抗で代用してもよい。
【００３４】
図６(b)の低域通過フィルタは、能動素子である演算増幅器３５を用いた積分回路であり、この回路構成も低域通過フィルタとして一般的であるので詳細な説明は省略する。
【００３５】
本発明における低域通過フィルタ１４及び１６は、図６（ａ）及び（ｂ）に例示するものに限定されるものではなく、他のフィルタ（例えば、スイッチトキャパシタ回路）を用いることもできる。また、低域通過フィルタ１４及び１６は、バッファアンプ１５の前側か後側のいずれか一方だけに設けても良いが、その場合はバッファアンプ１５の前側のフィルタ（＝フィルタ１４）を残すことが好ましい。バッファアンプ１５の後側には大きな電流が流れるため、フィルタでの電圧降下がバイアス電圧の変動の原因となるからである。
【００３６】
〔差動積分回路〕
次に、差動積分回路７の具体的な構成例について説明する。
差動積分回路７の構成例を図７と図８に示す。図７において、２４は差動電圧電流変換アンプで入力信号の差を電流に変換し、周期的にトランジスタ２６でリセットされる積分容量２５に積分するものである。図８は、演算増幅器３１と３２を用いた例で回路ユニット２９は差動増幅回路で、回路ユニット３０は積分回路である。いずれの場合も、積分後の出力はS/H回路２７でサンプリングされバッファ２８を介して出力される。
【００３７】
図７は、本件発明者が先に特許出願(特願２０００−３８６９７４)したもので、後述の演算増幅器を用いる場合にくらべ構成が簡略になる効果がある。以下、図７に示す差動積分回路７について詳細に説明する。
【００３８】
図７に示す差動積分回路は、定電流源２の両端電圧と定電流源１８の両端電圧を入力側に接続した差動電圧電流変換アンプ２４と、差動電圧電流変換アンプ２４の出力側に接続された積分容量２５と、積分容量２５を周期的に電圧Ｖrefにリセットするように接続されたリセットトランジスタ２６を備える。差動電圧電流変換アンプ２４は、負帰還なしの状態で接続されており、その出力インピーダンスと積分容量２５のキャパシタンスCiとの積（＝時定数）が積分時間Ｔｉの５倍以上となるように設定されている。
【００３９】
積分容量２５の入力端には、サンプルホールド用トランジスタとサンプルホールド容量から成るサンプルホールド回路２７が接続されている。積分後の出力が、サンプルホールド回路２７でサンプリングされ、バッファ２８を介して出力される。
【００４０】
図７の差動積分回路７では、負帰還をしない状態の差動電圧電流変換アンプ２４を用いて積分回路を構成しているため、図８で示すような演算増幅器を用いた積分回路に比して回路構成を大巾に簡略化することができる。図７に示す差動電圧電流変換アンプ２４が積分動作をすることについて説明する。一般の帰還を施していない電圧増幅器の入出力応答特性Avは、電圧増幅器の相互コンダクタンスをgm、出力インピーダンスをRout、積分時間をＴｉとして、
Av =gm Rout{ 1−exp(−Ti / Ta ) } （１）
Ta= Rout Ci （２）
で表される。ここで、Ｔａは時定数である。
Ｔa≫Ｔi （３）
であれば、
Av = gm Rout Ti / Ta= gm Ti / Ci （４）
となり、積分器の応答特性となる。
【００４１】
（３）式は、出力インピーダンスRoutと積分容量の積で表される時定数が積分時間に比べ充分長いことを示している。例えば、時定数Ｔａを積分時間Ｔｉの少なくとも５倍以上とすれば、積分器の応答特性からのずれを１０％以内とすることができる。時定数Ｔａを大きくするためには、出力インピーダンスＲoutが非常に大きな電圧増幅器を使えばよい。一般に、電圧利得gm・Routの大きな負帰還を用いない単一のアンプは、出力インピーダンスRoutが大きくなる。例えば、図８に示す演算増幅器のうちの差動アンプ３１のみを取出して、図７に示すように負帰還や入力抵抗無しで接続することにより、差動電圧電流変換アンプ２４を構成することができる。したがって、図７の差動積分回路によれば、図８に示す積分回路よりも遥かに簡単な回路構成によって、積分回路を構成することができる。
【００４２】
実施の形態２．
図９は、本発明に係る熱型赤外線固体撮像素子の他の実施形態である。定電流源２、１３及び１８に代えて、負荷抵抗３６、３７及び３８を用いた点を除けば、実施の形態１と同様である。負荷抵抗３６、３７及び３８の抵抗を実質的に同じにしておけば、実施の形態１の場合と同様の効果を得ることができる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているため、下記の効果を奏する。
本発明の半導体装置は、画素に接続された第１の定電流源の近傍に、バイアス線で共通接続された第２の定電流源を設け、第１の定電流源と第２の定電流源の両端電圧の差を一定時間積分して出力するため、駆動線に現れる電圧分布を積分回路出力によってキャンセルすることができる。これにより、撮像した画像から駆動線の抵抗によるオフセット分布を減少し、また、駆動線での電圧降下分布による増幅器の飽和等を防止して必要な増幅度を容易に確保することができる。
【００４４】
また、バイアス電圧出力回路を、画素電源によって駆動されて素子全体の温度に応じた参照信号を出力する参照信号出力回路と、参照信号出力回路の出力に接続されたバッファアンプとで構成することにより、電源電圧変動と素子温度変動による信号のドリフトを差動積分回路で減算し、外部に出力しないようにすることができる。
【００４５】
さらに、バイアス電圧出力回路が、バッファアンプの入力側又は出力側のいずれかに低域通過フィルタを備えることにより、参照信号出力回路からの雑音を抑制し、差動による雑音増加を抑制することができる。
【００４６】
また、参照信号出力回路を、温度に応じて電気特性が変化する感温素子と、感温素子の陰極側に接続された第３の定電流源とで構成し、第３の定電流源の両端電圧の差を参照信号として出力することにより、赤外線吸収によらない素子の温度ドリフトを校正するための基準信号を出力することができる。
【００４７】
またさらに、参照信号出力回路として、複数個の感温素子を設けることにより、素子面内の温度分布の影響や感温素子の特性ばらつきを平均化することができる。
【００４８】
加えて、感温素子を、断熱構造を実質的に有しないことを除いて画素と実質同一構造の参照画素とすることにより、入射する赤外線に関係無く環境等による素子の温度変化だけを検出することができる。また、参照画素に代えて、サーミスタを感温素子として用いれば、簡略な構成によって参照信号出力回路を形成することができる。
【００４９】
また、差動電圧電流変換アンプによって変換した電流を、差動電圧電流変換アンプに接続されて周期的に一定電圧にリセットされる容量に積分することにより、簡略な構成で積分回路を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の実施の形態１に係る熱型赤外線固体撮像素子を示す回路図である。
【図２】 図２は、参照信号出力回路の別の例を示す回路図である。
【図３】 図３は、参照信号出力回路のさらに別の例を示す回路図である。
【図４】 図４は、参照信号出力回路のさらに別の例を示す回路図である。
【図５】 図５は、参照信号出力回路のさらに別の例を示す回路図である。
【図６】 図６（ａ）及び（ｂ）は、低域通過フィルタの一例を示す回路図である。
【図７】 図７は、差動積分回路の一例を示す回路図である。
【図８】 図８は、差動積分回路の別の一例を示す回路図である。
【図９】 図９は、本発明の実施の形態２に係る熱型赤外線固体撮像素子を示す回路図である。
【図１０】 図１０（ａ）及び（ｂ）は、従来の熱型赤外線固体撮像素子の画素構造を示す断面図及び斜視図である。
【図１１】 図１１は、従来の熱型赤外線固体撮像素子を示す回路図である。
【図１２】 図１２は、従来の熱型赤外線固体撮像素子の積分回路を示す回路図である。
【符号の説明】
１ 画素、２、１３，１８ 定電流源、３ 駆動線、４ 垂直走査回路、５ 信号線、６ 電源、７ 差動積分回路、８ 水平走査回路、９ スイッチ、１０ 出力端子、１１ 参照信号出力回路、１２ 参照画素、１４、１６ 低域通過フィルタ、１５ バッファアンプ、１７ バイアス線。
【発明の属する技術分野】
この発明は、入射赤外線による温度変化を２次元配列された半導体センサで検出する熱型赤外線固体撮像素子に関し、特に、半導体センサからの電気信号を信号処理回路にて積分処理した後に出力する熱型赤外線固体撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０及び図１１は、Proc.SPIE Vol.3698 1999 556頁から564頁に記載された従来の熱型赤外線固体撮像素子である。図１０（ａ）及び（ｂ）に示ように、赤外線撮像素子の画素１において、温度センサとなるＰＮ接合ダイオード９０２は、２本の長い支持脚１１０１によってシリコン基板１１０２に設けられた中空部１１０３の上に支持されており、ダイオード９０２の電極配線１１０４が支持脚１１０１に埋め込まれている。ＰＮ接合ダイオード９０２は、感度を高めるために複数個が直列に接続されている。中空部１１０３は、ダイオード９０２とシリコン基板１１０２との間の熱抵抗を高めて、断熱構造を形成している。ダイオード９０２は、基板１１０２と独立した層にする必要があるので、SOI基板を用いてSOI層上に形成されており、SOI層下の埋め込み酸化膜は中空構造を支持する構造体の一部になっている。また、ダイオード部に熱的に接触している赤外線吸収構造１１０６が、図の上方から入射する赤外線を効率良く吸収できるように、支持脚１１０１の上方に張り出した構造となっている。尚、図１０(ｂ)では下部の構造を判りやすくするため、図の前方の部分での赤外線吸収構造を除いて描いてある。
【０００３】
赤外線が画素１に入射すると、赤外線吸収構造１１０６で吸収され、上記の断熱構造により画素１の温度が変化し、温度センサとなるダイオード９０２の順方向電圧特性が変化する。このダイオード９０２の順方向電圧特性の変化量を、所定の検出回路で読み取ることにより、入射した赤外線量に応じた出力信号を取出すことができる。熱型赤外線固体撮像素子では、画素１が２次元に多数配列されており、それらを順にアクセスしていく構造となっている。このような素子では画素間の特性均一性が重要である。ダイオードの順方向電圧やその温度依存性は固体間のバラツキが非常に小さく、熱型赤外線撮像素子にとって温度センサにダイオードをもちいることは特性均一性を図る上で特に有効である。
【０００４】
図１１に、熱型赤外線固体撮像素子の回路構成を示す。画素１は、２次元に配列されており、行ごとに駆動線３によって接続され、列ごとに信号線５によって接続されている。垂直走査回路４とスイッチ９により駆動線３が順番に選択され、選択された駆動線３を介して電源６から画素１に通電される。画素１の陰極側に接続された信号線５の終端には定電流源２が備えられているため、画素１は定電流駆動となる。定電流源２の両端の電圧は積分回路３９で積分及び増幅され、水平走査回路８とスイッチ９によって順に出力端子１０へ出力される。
【０００５】
積分回路３９の内部を図１２に示す。ＭＯＳトランジスタ４０は、積分トランジスタでゲートが入力端子になる。積分容量４０は、トランジスタ４０に接続されており、周期的にトランジスタ２６によりリセットされる。バイアス線４１からはトランジスタ４０の動作点をきめるバイアス電圧が与えられる。ＭＯＳトランジスタ４０と積分容量２５とで、いわゆるゲート変調積分回路が構成されている。この積分回路の出力は、サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路２７でサンプリングされ、バッファアンプ２８を介して出力される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の熱型赤外線固体撮像素子では以下のような問題があった。
まず、図１１において、積分回路３９の入力には、定電流源２の両端の電圧が入力されるが、この電圧は電源６の電圧から画素１の両端の電圧と駆動線３での電圧降下を引いた値となる。ところが、駆動線３での電圧降下量は、画素列毎に異なるため、積分回路３９の出力も画素列毎に異なった値となってしまう。このため、撮像した画像に駆動線３の抵抗によるオフセット分布が発生してしまう。また、熱型赤外線固体撮像素子の赤外光に対するレスポンス、即ち、画素１の両端電圧の変化は、駆動線３における電圧降下成分にくらべはるかに小さいため、駆動線３による電圧降下分布によって増幅器が飽和等をおこし、必要な増幅度を確保できない問題もある。
【０００７】
また、積分回路３９の出力は、電源６の電圧変動の影響を直接受けるため、出力が不安定となり易い。即ち、図１２に示すようなＭＯＳトランジスタと積分容量により構成された積分回路を用いて検出を行った場合、図１１において、画素を駆動する電源６の電圧変動により、定電流源２の両端電圧が変化するため、積分回路３９の出力電圧が変化してしまう。
【０００８】
さらに、画素１のレスポンスには赤外光のレスポンス以外に素子温度変化によるレスポンスも含まれるため、素子温度制御を精密に行わないと素子出力が素子温度変化とともにドリフトする現象が現れ安定した画像取得ができない問題もある。即ち、図１０に示す画素１において、ダイオード９０２と基板１１０２は、完全に断熱されて、画素１の出力電圧が基板１１０２の温度変化の影響を受けないことが理想である。しかし、支持脚１１０１と中空部１１０３による断熱構造の熱抵抗は有限値をもつため、画素１の出力電圧は基板１１０２の温度変化によっても変化する。このため、検出動作を行っているときに、赤外線撮像装置の環境温度が変化して基板１１０２の温度が変化すると、検出部９０２の出力も変化してしまう。この環境温度の変化による出力変動は、入射赤外線の変化と区別がつかないため、赤外線の測定精度が低下して安定した画像取得ができない
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、駆動線の抵抗による電圧降下の影響の少ない熱型赤外線固体撮像素子を提供することを目的とする。さらに、電源電圧変動や素子温度変動による出力変動が少なく、安定した画像取得が可能な熱型赤外線固体撮像素子を提供することも目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の半導体装置は、少なくとも１個以上直列接続され、断熱構造と赤外線吸収構造を備えたダイオードによって画素が構成され、前記画素が２次元状に配列された画素エリアと、前記画素の陽極を行毎に共通接続した複数の駆動線と、前記画素の陰極を列毎に共通接続し、列毎の終端に第１の定電流化手段を備えた複数の信号線と、前記駆動線を順次選択し、選択した駆動線と画素用電源を接続する垂直走査回路と、前記信号線を順次選択し、選択した信号線について、前記第１の定電流化手段の両端電圧を前記信号線毎に設けられた積分回路を介して出力する水平駆動回路とを備えた熱型赤外線固体撮像素子であって、
前記信号線毎に、前記第１の定電流化手段の近傍に設けられ、前記第１の定電流化手段と実質的に同一の電流を流す第２の定電流化手段と、
前記第２の定電流化手段の入力端を前記駆動線と平行に共通接続し、前記駆動線と略同一の抵抗を有するバイアス線と、
前記バイアス線にバイアス電圧を与えるバイアス電圧出力回路とを有し、
前記積分回路が、前記第１の定電流化手段と前記第２の定電流化手段の両端電圧の差を一定時間積分して出力することを特徴とする。
【００１１】
第１、第２及び第３の定電流化手段には、定電流源又は負荷抵抗を用いることができる。バイアス線と駆動線が実質同じ抵抗であり、列毎に接続される第１の定電流化手段と第２の定電流化手段の電流も実質同じであるため、バイアス線と駆動線に現れる電圧分布は実質同じである。そして、列毎に接続された差動積分回路で両者は互いに減算されるので、駆動線とバイアス線に現れる電圧分布は積分回路出力によってキャンセルされる。したがって、撮像した画像から駆動線の抵抗によるオフセット分布を減少し、また、駆動線での電圧降下分布による増幅器の飽和等を防止して必要な増幅度を容易に確保することができる。
【００１２】
前記バイアス電圧出力回路は、前記画素電源によって駆動されて素子全体の温度に応じた参照信号を出力する参照信号出力回路と、前記参照信号出力回路の出力に接続されたバッファアンプとを有することが好ましい。これにより、バイアス線に、電源電圧変動と素子全体の温度変動による信号出力変化を校正するための基準信号が入力される。したがって、電源電圧変動と素子温度変動による信号のドリフトを差動積分回路で減算し、外部に出力しないようにすることができる。
【００１３】
また、前記バイアス電圧出力回路が、前記バッファアンプの入力側又は出力側の少なくとも一方に低域通過フィルタを備えることが好ましい。参照信号出力回路の出力と差動積分回路の入力端子の間に低域通過フィルタを入れ、環境温度や電源回路のドリフト等による電圧変動のみを通過するようにすることで、参照信号出力回路からの雑音を抑制し、差動による雑音増加を抑制することができる。
【００１４】
さらに、前記参照信号出力回路が、温度に応じて電気特性が変化する感温素子と、前記感温素子の陰極側に接続された第３の定電流化手段とを有し、前記第３の定電流化手段の両端電圧を参照信号として出力することが好ましい。これにより、参照信号出力回路から、赤外線吸収によらない素子の温度ドリフトを校正するための基準信号を出力することができる。
【００１５】
またさらに、前記参照信号出力回路が、Ｎ個（Ｎは自然数）の前記感温素子と、前記Ｎ個の感温素子の陰極側に共通に接続された１つの前記第３の定電流化手段とを有し、前記第３の定電流化手段が前記第１の定電流化手段のＮ倍の電流を流しても良い。素子面積がある程度広い場合には、素子面内に温度分布が存在する場合がある。また、感温素子の特性にばらつきがある場合がある。感温素子を複数個設けていることで、素子面内の温度分布の影響や感温素子の特性ばらつきを平均化することができる。
【００１６】
また、前記参照信号出力回路が、Ｎ個（Ｎは自然数）の前記感温素子と、前記感温素子の個々の陰極側に接続されたＮ個の前記第３の定電流化手段と、前記Ｎ個の第３の定電流化手段の両端電圧を平均化して参照信号として出力する平均化回路とを有するようにしても良い。
【００１７】
前記感温素子は、例えば、断熱構造と赤外線吸収構造の少なくとも一方を有しないことを除いて前記画素と実質同一構造の参照画素とすることができる。これにより、入射する赤外線に関係無く環境等による素子の温度変化だけを検出することができる。また、参照画素に代えて、サーミスタを感温素子として用いても良い。
【００１８】
前記積分回路は、前記第１の定電流化手段と前記第２の定電流化手段の両端電圧の差を差動電圧電流変換アンプによって電流に変換し、その電流を、前記差動電圧電流変換アンプに接続されて周期的に一定電圧にリセットされる容量に積分することが好ましい。これにより、積分回路の構成が演算増幅器を用いた場合にくらべて簡略になる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。尚、従来と同一又は対応する部材には、図１０乃至１２と同一の符号を付している。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る熱型赤外線固体撮像素子の回路構成を示す回路図である。従来の熱型赤外線固体撮像素子と同様に、複数個が直列接続され、赤外線吸収構造と断熱構造を備えたダイオードによって個々の画素１が構成されており、その画素１が２次元状に配列された画素エリアを構成している。画素１の各行ごとに駆動線３が共通して接続されている。また、画素１の各列ごとに信号線５が共通して接続され、各信号線５の終端には定電流源２が接続されている。また、垂直走査回路４とスイッチ９により駆動線３が順番に選択され、定電流源２の両端の電圧が積分回路７で積分及び増幅され、水平走査回路８とスイッチ９によって順に出力端子１０へ出力される。
【００２０】
本実施の形態に係る熱型赤外線固体撮像素子では、
（１）積分回路に差動積分回路７を用いる点、
（２）抵抗が駆動線３と実質同じであるバイアス線１７が駆動線３と平行に画素エリア外に設けられており、かつ、バイアス線の画素列毎に定電流源２と実質的に同じ電流を流す定電流源１８を設けている点、
（３）差動積分回路には、定電流源２と１８の両端電圧の差が入力される点、
において従来の熱型赤外線固体撮像素子と大きく異なっている。
【００２１】
定電流源２と定電流源１８の流す電流は同一であり、バイアス線１７と駆動線３の抵抗は実質的に同一であるので、バイアス線１７における電圧降下は駆動線３における電圧降下と同じになる。したがって、定電流源２と定電流源１８の両端電圧の差を差動積分回路７で一定時間積分して出力することにより、駆動線３の抵抗による電圧降下分布を差動積分回路で減算し、外部に出力しないようにすることができる。
【００２２】
また、本実施の形態に係る熱型赤外線固体撮像素子では、
（４）画素の駆動と共通の電源６によって駆動され、素子温度変化に応じた出力をだす参照信号出力回路１１を設け、参照信号出力回路１１の出力をバッファ１５を介してバイアス線１７に入力する回路構成（「バイアス電圧出力回路」）を有している点、においても従来の熱型赤外線固体撮像素子と大きく異なっている。
【００２３】
バイアス線１７には、画素１を駆動する電源６の電圧変動と素子全体の温度変動に対する信号出力変化が入力され、その信号が定電流源１８の両端電圧として差動積分回路１７に入力される。したがって、電源電圧変動と素子温度変動による信号のドリフトを差動積分回路７で減算し、外部に出力しないようにすることができる。
以下、本実施の形態に係る熱型赤外線固体撮像素子の具体的な構成について詳細に説明する。
【００２４】
〔バイアス電圧出力回路〕
まず、バイアス電圧出力回路について説明する。本実施の形態において、バイアス電圧出力回路は、参照信号出力回路１１、バッファアンプ１５、低域通過フィルタ１４及び１６から成っている。
【００２５】
参照信号出力回路１１は、画素エリア外に設けられた参照画素１２とそれに定電流を流す定電流源１３が直列接続された構成となっており、定電流源１３の両端電圧の差が出力される。参照画素１２は、入射する赤外線に関係無く環境等による素子の温度変化だけを検出することができるように赤外線吸収構造あるいは断熱構造の何れかまたは両方を除いた構造となっている。断熱構造を有しない画素を形成するには、例えば、図１０（ａ）（ｂ）に示した検出器の構造において、基板１１０２に中空部１１０３を形成しないか、あるいは支持脚１１０１の長さを画素１に比べ充分短くすれば良い。また、赤外線吸収構造を有しない画素を形成するには、例えば、図１０（ａ）（ｂ）の画素１において赤外線吸収構造１１０６の形成を省略すれば良い。また、電流源１３の電流は画素１に対する定電流源２と実質等しい電流である。したがって、参照信号出力回路１１からは、赤外線吸収によらない素子の温度ドリフトを校正するための基準信号を出力することができる。
【００２６】
そして、参照信号出力回路１１の出力は低域通過フィルタ１４で雑音除去され、バッファ１５で電流駆動能力を上げ、再び低域通過フィルタ１６で雑音除去されたのち、バイアス線１７に与えられる。
【００２７】
低域通過フィルタ１４と１６は参照画素１２と定電流源１３の雑音をカットし温度ドリフト成分のみを抽出するためのものである。即ち、低域通過フィルタ１４及び１６は、参照信号出力回路１１を設けることによる雑音の増大を防止する役割を果たしている。一般に、高Ｓ／Ｎを目指す赤外線検出器では、電源系の雑音は電源回路で充分低減されており、検出部からの雑音が装置の雑音主成分となる。従って、同一構成の画素１と参照画素１２の出力を差動積分回路７に入力すると、両者の雑音は無相関であるので、雑音は従来の√2倍になる。一方、環境温度変化による検出部出力変化や、環境温度変化に伴う電源回路特性変動による電源電圧の変化は、その変動が一般に秒オーダ以上の緩やかなものである。したがって、それをモニタするバイアス電圧出力回路の帯域は、赤外線を検出する信号ラインに必要な帯域にくらべて充分狭くてもよい。そこで、参照信号出力回路１１の出力と差動積分回路７の入力端子の間に低域通過フィルタ１４と１６を入れ、環境温度や電源回路のドリフト等による電圧変動のみを通過するようにすれば、参照信号出力回路１１からの雑音を抑制し、差動による雑音増加を抑制することができる。
【００２８】
尚、このような赤外線固体撮像素子の画素にとっての雑音帯域幅の代表的な値は数KHzであるので、その１/100以下にカットオフ周波数をきめておけば良い。電源電圧変動及び温度変動の観点からは、その変動周期は早くて秒オーダであるから数Hzの帯域があれば十分である。また、本実施の形態では低域通過フィルタをバッファ１５の前後に挿入しているが、何れか一方だけでもよい。
【００２９】
〔参照信号出力回路〕
本実施の形態では、参照信号出力回路１１を参照画素１２と電流源１３の直列接続構成としたが、他の参照信号出力回路の構成例を図２から５に示す。
図２は、参照画素１２を複数個並列にし、その個数分だけ電流をました定電流源１９を直列接続したものである。即ち、N個の参照画素１２を並列に配置した場合には、定電流源２のN倍の電流を定電流源１９によって流すようにする。熱型赤外線固体撮像素子の温度は、有限の大きさをもつ素子領域内で分布をもつことがあるので、複数の参照画素１２を素子領域内に適当に分布設置すれば、その平均温度に反映した出力をとりだすことができる。
【００３０】
また、同様な目的は、図３の構成の参照信号出力回路１１でも実現できる。図３では、参照画素１２と定電流源１３が直列接続されたものを一組として、その組み合わせた構成そのものを素子領域内に適当に分布設置し、各々の出力を平均化回路２０で平均化するものである。平均化回路２０は、演算増幅器を用いた周知の回路である加算回路と除算回路の組み合わせで実現できる。
【００３１】
図４の参照信号出力回路１１は、参照画素１２の代わりに、温度により抵抗が変化するサーミスタ２１を定電流源２２で定電流駆動させた例である。この構成では、バッファアンプ１５の出力電圧が図１の場合と同一になるように、サーミスタ２１の抵抗設定あるいは、定電流源２２の電流設定をする必要がある。また、バッファアンプ１５にレベルシフト動作を含めることによって、バッファ回路１５の出力電圧が図１の場合と同様になるようにしても良い。
【００３２】
さらに、図５の参照信号出力回路１１は、図４の構成で定電流源２２のかわりに負荷抵抗２３を用い、サーミスタ２１を定電流駆動させた例である。この例でも、バッファ回路１５の出力電圧が図１の場合と同様になるように、サーミスタ２１と負荷抵抗２３の抵抗を設定し、あるいは、バッファアンプ１５にレベルシフト動作を含める必要がある。
【００３３】
〔低域通過フィルタ〕
低域通過フィルタ１４及び１６の回路構成例を、図６(a)と図６(b)に示す。以下に示す構成は、低域通過フィルタ１４及び１６のいずれにも用いることができる。
図６(a)の低域通過フィルタは、受動素子を用いたもので３３は抵抗もしくはリアクタンスであり、３４は容量である。バッファアンプ１５の後側に挿入するフィルタ（＝低域通過フィルタ１６）としては直流電圧降下がないリアクタンスの方が望ましい。一方、バッファアンプ１５の手前側に設けるフィルタ（＝低域通過フィルタ１４）としては、フィルタとしての特性が得られ易い抵抗を用いる方が望ましい。また、抵抗３３は、電源回路６の内部抵抗あるいはバッファアンプ１５の内部抵抗で代用してもよい。
【００３４】
図６(b)の低域通過フィルタは、能動素子である演算増幅器３５を用いた積分回路であり、この回路構成も低域通過フィルタとして一般的であるので詳細な説明は省略する。
【００３５】
本発明における低域通過フィルタ１４及び１６は、図６（ａ）及び（ｂ）に例示するものに限定されるものではなく、他のフィルタ（例えば、スイッチトキャパシタ回路）を用いることもできる。また、低域通過フィルタ１４及び１６は、バッファアンプ１５の前側か後側のいずれか一方だけに設けても良いが、その場合はバッファアンプ１５の前側のフィルタ（＝フィルタ１４）を残すことが好ましい。バッファアンプ１５の後側には大きな電流が流れるため、フィルタでの電圧降下がバイアス電圧の変動の原因となるからである。
【００３６】
〔差動積分回路〕
次に、差動積分回路７の具体的な構成例について説明する。
差動積分回路７の構成例を図７と図８に示す。図７において、２４は差動電圧電流変換アンプで入力信号の差を電流に変換し、周期的にトランジスタ２６でリセットされる積分容量２５に積分するものである。図８は、演算増幅器３１と３２を用いた例で回路ユニット２９は差動増幅回路で、回路ユニット３０は積分回路である。いずれの場合も、積分後の出力はS/H回路２７でサンプリングされバッファ２８を介して出力される。
【００３７】
図７は、本件発明者が先に特許出願(特願２０００−３８６９７４)したもので、後述の演算増幅器を用いる場合にくらべ構成が簡略になる効果がある。以下、図７に示す差動積分回路７について詳細に説明する。
【００３８】
図７に示す差動積分回路は、定電流源２の両端電圧と定電流源１８の両端電圧を入力側に接続した差動電圧電流変換アンプ２４と、差動電圧電流変換アンプ２４の出力側に接続された積分容量２５と、積分容量２５を周期的に電圧Ｖrefにリセットするように接続されたリセットトランジスタ２６を備える。差動電圧電流変換アンプ２４は、負帰還なしの状態で接続されており、その出力インピーダンスと積分容量２５のキャパシタンスCiとの積（＝時定数）が積分時間Ｔｉの５倍以上となるように設定されている。
【００３９】
積分容量２５の入力端には、サンプルホールド用トランジスタとサンプルホールド容量から成るサンプルホールド回路２７が接続されている。積分後の出力が、サンプルホールド回路２７でサンプリングされ、バッファ２８を介して出力される。
【００４０】
図７の差動積分回路７では、負帰還をしない状態の差動電圧電流変換アンプ２４を用いて積分回路を構成しているため、図８で示すような演算増幅器を用いた積分回路に比して回路構成を大巾に簡略化することができる。図７に示す差動電圧電流変換アンプ２４が積分動作をすることについて説明する。一般の帰還を施していない電圧増幅器の入出力応答特性Avは、電圧増幅器の相互コンダクタンスをgm、出力インピーダンスをRout、積分時間をＴｉとして、
Av =gm Rout{ 1−exp(−Ti / Ta ) } （１）
Ta= Rout Ci （２）
で表される。ここで、Ｔａは時定数である。
Ｔa≫Ｔi （３）
であれば、
Av = gm Rout Ti / Ta= gm Ti / Ci （４）
となり、積分器の応答特性となる。
【００４１】
（３）式は、出力インピーダンスRoutと積分容量の積で表される時定数が積分時間に比べ充分長いことを示している。例えば、時定数Ｔａを積分時間Ｔｉの少なくとも５倍以上とすれば、積分器の応答特性からのずれを１０％以内とすることができる。時定数Ｔａを大きくするためには、出力インピーダンスＲoutが非常に大きな電圧増幅器を使えばよい。一般に、電圧利得gm・Routの大きな負帰還を用いない単一のアンプは、出力インピーダンスRoutが大きくなる。例えば、図８に示す演算増幅器のうちの差動アンプ３１のみを取出して、図７に示すように負帰還や入力抵抗無しで接続することにより、差動電圧電流変換アンプ２４を構成することができる。したがって、図７の差動積分回路によれば、図８に示す積分回路よりも遥かに簡単な回路構成によって、積分回路を構成することができる。
【００４２】
実施の形態２．
図９は、本発明に係る熱型赤外線固体撮像素子の他の実施形態である。定電流源２、１３及び１８に代えて、負荷抵抗３６、３７及び３８を用いた点を除けば、実施の形態１と同様である。負荷抵抗３６、３７及び３８の抵抗を実質的に同じにしておけば、実施の形態１の場合と同様の効果を得ることができる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているため、下記の効果を奏する。
本発明の半導体装置は、画素に接続された第１の定電流源の近傍に、バイアス線で共通接続された第２の定電流源を設け、第１の定電流源と第２の定電流源の両端電圧の差を一定時間積分して出力するため、駆動線に現れる電圧分布を積分回路出力によってキャンセルすることができる。これにより、撮像した画像から駆動線の抵抗によるオフセット分布を減少し、また、駆動線での電圧降下分布による増幅器の飽和等を防止して必要な増幅度を容易に確保することができる。
【００４４】
また、バイアス電圧出力回路を、画素電源によって駆動されて素子全体の温度に応じた参照信号を出力する参照信号出力回路と、参照信号出力回路の出力に接続されたバッファアンプとで構成することにより、電源電圧変動と素子温度変動による信号のドリフトを差動積分回路で減算し、外部に出力しないようにすることができる。
【００４５】
さらに、バイアス電圧出力回路が、バッファアンプの入力側又は出力側のいずれかに低域通過フィルタを備えることにより、参照信号出力回路からの雑音を抑制し、差動による雑音増加を抑制することができる。
【００４６】
また、参照信号出力回路を、温度に応じて電気特性が変化する感温素子と、感温素子の陰極側に接続された第３の定電流源とで構成し、第３の定電流源の両端電圧の差を参照信号として出力することにより、赤外線吸収によらない素子の温度ドリフトを校正するための基準信号を出力することができる。
【００４７】
またさらに、参照信号出力回路として、複数個の感温素子を設けることにより、素子面内の温度分布の影響や感温素子の特性ばらつきを平均化することができる。
【００４８】
加えて、感温素子を、断熱構造を実質的に有しないことを除いて画素と実質同一構造の参照画素とすることにより、入射する赤外線に関係無く環境等による素子の温度変化だけを検出することができる。また、参照画素に代えて、サーミスタを感温素子として用いれば、簡略な構成によって参照信号出力回路を形成することができる。
【００４９】
また、差動電圧電流変換アンプによって変換した電流を、差動電圧電流変換アンプに接続されて周期的に一定電圧にリセットされる容量に積分することにより、簡略な構成で積分回路を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の実施の形態１に係る熱型赤外線固体撮像素子を示す回路図である。
【図２】 図２は、参照信号出力回路の別の例を示す回路図である。
【図３】 図３は、参照信号出力回路のさらに別の例を示す回路図である。
【図４】 図４は、参照信号出力回路のさらに別の例を示す回路図である。
【図５】 図５は、参照信号出力回路のさらに別の例を示す回路図である。
【図６】 図６（ａ）及び（ｂ）は、低域通過フィルタの一例を示す回路図である。
【図７】 図７は、差動積分回路の一例を示す回路図である。
【図８】 図８は、差動積分回路の別の一例を示す回路図である。
【図９】 図９は、本発明の実施の形態２に係る熱型赤外線固体撮像素子を示す回路図である。
【図１０】 図１０（ａ）及び（ｂ）は、従来の熱型赤外線固体撮像素子の画素構造を示す断面図及び斜視図である。
【図１１】 図１１は、従来の熱型赤外線固体撮像素子を示す回路図である。
【図１２】 図１２は、従来の熱型赤外線固体撮像素子の積分回路を示す回路図である。
【符号の説明】
１ 画素、２、１３，１８ 定電流源、３ 駆動線、４ 垂直走査回路、５ 信号線、６ 電源、７ 差動積分回路、８ 水平走査回路、９ スイッチ、１０ 出力端子、１１ 参照信号出力回路、１２ 参照画素、１４、１６ 低域通過フィルタ、１５ バッファアンプ、１７ バイアス線。
Claims (9)
- 少なくとも１個以上直列接続され、断熱構造と赤外線吸収構造を備えたダイオードによって画素が構成され、前記画素が２次元状に配列された画素エリアと、
前記画素の陽極を行毎に共通接続した複数の駆動線と、
前記画素の陰極を列毎に共通接続し、列毎の終端に第１の定電流化手段を備えた複数の信号線と、
前記駆動線を順次選択し、選択した駆動線と画素用電源を接続する垂直走査回路と、
前記信号線を順次選択し、選択した信号線について、前記第１の定電流化手段の両端電圧を前記信号線毎に設けられた積分回路を介して出力する水平駆動回路と、を備えた熱型赤外線固体撮像素子であって、
前記信号線毎に、前記第１の定電流化手段の近傍に設けられ、前記第１の定電流化手段と実質的に同一の電流を流す第２の定電流化手段と、
前記第２の定電流化手段の入力端を前記駆動線と平行に共通接続し、前記駆動線と略同一の抵抗を有するバイアス線と、
前記バイアス線にバイアス電圧を与えるバイアス電圧出力回路とを有し、
前記積分回路が、前記第１の定電流化手段と前記第２の定電流化手段の両端電圧の差を一定時間積分して出力することを特徴とする熱型赤外線固体撮像素子。 - 前記バイアス電圧出力回路が、前記画素電源によって駆動されて素子全体の温度に応じた参照信号を出力する参照信号出力回路と、前記参照信号出力回路の出力に接続されたバッファアンプとを有することを特徴とする請求項１記載の熱型赤外線固体撮像素子。
- 前記バイアス電圧出力回路が、前記バッファアンプの入力側又は出力側の少なくとも一方に低域通過フィルタを備えたことを特徴とする請求項２記載の熱型赤外線固体撮像素子。
- 前記参照信号出力回路が、温度に応じて電気特性が変化する感温素子と、前記感温素子の陰極側に接続された第３の定電流化手段とを有し、前記第３の定電流化手段の両端電圧を参照信号として出力することを特徴とする請求項２又は３に記載の熱型赤外線固体撮像素子。
- 前記参照信号出力回路が、Ｎ個（Ｎは自然数）の前記感温素子と、前記Ｎ個の感温素子の陰極側に共通に接続された１つの前記第３の定電流化手段とを有し、前記第３の定電流化手段が前記第１の定電流化手段のＮ倍の電流を流すことを特徴とする請求項４記載の熱型赤外線固体撮像素子。
- 前記参照信号出力回路が、Ｎ個（Ｎは自然数）の前記感温素子と、前記感温素子の個々の陰極側に接続されたＮ個の前記第３の定電流化手段と、前記Ｎ個の第３の定電流化手段の両端電圧を平均化して参照信号として出力する平均化回路とを有することを特徴とする請求項４記載の熱型赤外線固体撮像素子。
- 前記感温素子が、断熱構造と赤外線吸収構造の少なくとも一方を有しないことを除いて前記画素と実質同一構造の参照画素であることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の熱型赤外線固体撮像素子。
- 前記感温素子が、サーミスタであることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の熱型赤外線固体撮像素子。
- 前記積分回路が、前記第１の定電流化手段と前記第２の定電流化手段の両端電圧の差を差動電圧電流変換アンプによって電流に変換し、その電流を、前記差動電圧電流変換アンプに接続されて周期的に一定電圧にリセットされる容量に積分することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の熱型赤外線固体撮像素子。
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