JP7120463B2 - 赤外線検出素子 - Google Patents
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Description
本開示は、赤外線を熱に変換して検出する熱型赤外線検出素子に関する。
赤外線検出素子は量子型と熱型に大別される。量子型赤外線検出素子は冷却機が必要な冷却型である。一方、熱型赤外線検出素子は冷却機が不要な非冷却型であるため、小型化が可能である。熱型赤外線検出素子は、赤外線吸収体によって吸収された赤外線を熱に変換し、この熱により生ずる温度変化を電気信号に変換する検出素子である。
近年、赤外線検出素子の民生への応用を睨んだ低価格化が進むとともに、検知能力の向上が図られてきた。赤外線検出素子の温度センサとしてダイオードを用いた場合、個々のダイオードの温度変化率が小さいため、複数のダイオードを直列接続して検出感度を高めている。
赤外線検出素子の温度検知部の限られた面積の中にできるだけ多くのダイオードを直列接続して配置することが求められている。これに対して、隣接する第１及び第２のダイオードが、第１のダイオードのＰ型層と第２のダイオードのＮ型層に跨って形成された凹部の表面に設けられた金属膜によって互いに接続された赤外線検出素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。これにより、ダイオード間を酸化膜で分離する場合よりも隣接するダイオードの間隔が小さくなる。従って、複数のダイオードを高密度に形成できるため、赤外線検出素子の検出感度を高めることができる。
従来の赤外線検出素子では、検出感度を高めるために温度検知部の直列接続された複数のダイオードの個数を増加させる必要がある。ダイオードの個数を増加させると、赤外線検出素子の大型化につながり、かつ高い電源電圧も必要になる。
本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的はダイオードの個数を増加させることなく検出感度を高めることができる赤外線検出素子を得るものである。
本開示に係る赤外線検出素子は、基板と、前記基板の上に設けられ、前記基板から断熱されたダイオードと、前記ダイオードの温度変化により前記ダイオードの電流が減少した時には前記ダイオードの電流が更に減少するように、前記ダイオードの電流が増加した時には前記ダイオードの電流が更に増加するように正帰還ループを施す正帰還回路とを備え、前記正帰還回路は、前記ダイオードのカソード電圧をゲートから入力し、ソースが電源に接続されたＰ型ＭＯＳトランジスタと、前記Ｐ型ＭＯＳトランジスタのドレイン電流を入力し、出力が前記ダイオードのカソードに接続されたカレントミラー回路とを有し、前記ダイオードのカソードと前記Ｐ型ＭＯＳトランジスタのゲートは赤外線検出素子の出力に接続され、前記ダイオードのカソード電圧が前記赤外線検出素子の出力電圧として出力されることを特徴とする。
以上のように構成された本開示の赤外線検出素子は、ダイオードの個数を増加させることなく検出感度を高めることができる。
実施の形態に係る赤外線検出素子について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る赤外線撮像装置を示す斜視図である。基板１の上に複数の赤外線検出素子２がアレイ状又はマトリックス状に２次元配置されている。選択線３と信号線４が複数の赤外線検出素子２に沿って設けられている。選択線３は駆動走査回路５に接続されている。信号線４は信号走査回路６に接続されている。駆動走査回路５と信号走査回路６は複数の赤外線検出素子２の周囲に設けられている。駆動走査回路５と信号走査回路６により選択された赤外線検出素子２の出力信号は、積分回路からなる出力アンプ７で増幅される。
図１は、実施の形態１に係る赤外線撮像装置を示す斜視図である。基板１の上に複数の赤外線検出素子２がアレイ状又はマトリックス状に２次元配置されている。選択線３と信号線４が複数の赤外線検出素子２に沿って設けられている。選択線３は駆動走査回路５に接続されている。信号線４は信号走査回路６に接続されている。駆動走査回路５と信号走査回路６は複数の赤外線検出素子２の周囲に設けられている。駆動走査回路５と信号走査回路６により選択された赤外線検出素子２の出力信号は、積分回路からなる出力アンプ７で増幅される。
図２は、実施の形態１に係る赤外線検出素子を示す上面図である。赤外線検出素子２は、マイクロマシニング技術で形成された断熱構造を有する。断熱構造の上に赤外線検知部８が形成されている。赤外線検知部８は断熱構造により基板１から断熱されている。赤外線が入射すると赤外線検知部８の温度が上昇する。その温度上昇を赤外線検知部８が検出して、電気信号として出力する。複数の赤外線検出素子２の出力信号が駆動走査回路５と信号走査回路６のスキャン動作により時系列に読み出され、赤外線画像信号が得られる。
図３は、図１のＩ－ＩＩに沿った断面図である。赤外線検出素子２は赤外線検知領域と回路領域からなる。基板１は例えばＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板である。赤外線検知領域において、基板１に空洞部９が設けられている。赤外線検知部８が基板１から離間した状態で空洞部９内に配置され、支持脚１０で支持されている。空洞部９が上記の断熱構造である。
赤外線検知部８は、温度センサとして直列接続された複数のダイオード１１を有する画素である。ダイオード１１はショットキーダイオード、トンネルダイオード等である。ダイオード１１の代わりに、温度によって電気特性が変化する他の熱電気変換素子を設けてもよい。ダイオード１１を覆う絶縁膜１２の上に薄膜配線１３、層間絶縁膜１４及び保護膜１５が順に設けられている。薄膜配線１３はダイオード１１に接続されている。保護膜１５の上に、赤外線を吸収するための傘構造を持つ赤外線吸収部１６が設けられている。
支持脚１０は、絶縁膜１２、層間絶縁膜１７、薄膜配線１３、層間絶縁膜１４及び保護膜１５の積層構造からなる。絶縁膜１２、層間絶縁膜１７、層間絶縁膜１４及び保護膜１５は例えば酸化シリコン又は窒化シリコンからなる。薄膜配線１３は、アルミニウム、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｐｔ等の金属又は多結晶シリコンからなる。
回路領域において、正帰還回路１８と、正帰還回路１８に接続された配線１９が設けられている。正帰還回路１８は、例えば走査回路、電流源回路、電源回路、積分回路又はＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタを有する。
赤外線検出素子２では、入射した赤外線が赤外線吸収部１６で吸収されて熱になり、その熱が赤外線検知部８に伝えられる。赤外線検知部８の温度が上昇することにより、赤外線検知部８に含まれるダイオード１１の電気特性が変化する。ダイオード１１のｐ側とｎ側にそれぞれ接続された薄膜配線１３は、支持脚１０を通って配線１９に接続されている。ダイオード１１の電気特性の変化は、薄膜配線１３及び配線１９を通って正帰還回路１８に電気信号として取り出され、入射した赤外線の検出に用いられる。
図４は、実施の形態１に係る赤外線検出素子を示す回路図である。赤外線検知部８は、直列接続された複数のダイオード１１を有する。ダイオード１１のアノードは第１の電源ＶＤＤに接続されている。ダイオード１１のカソード電圧が赤外線検出素子２の出力電圧Ｖｐｉｘとして出力される。
正帰還回路１８は、Ｐ型ＭＯＳトランジスタＭｄｐとカレントミラー回路２０を有する。Ｐ型ＭＯＳトランジスタＭｄｐは、ダイオード１１のカソード電圧をゲートから入力する。Ｐ型ＭＯＳトランジスタＭｄｐのソースは第２の電源ＶＤＳに接続されている。
カレントミラー回路２０は、Ｐ型ＭＯＳトランジスタＭｄｐのドレイン電流を入力する。カレントミラー回路２０の出力はダイオード１１のカソードに接続されている。図５及び図６はカレントミラー回路を示す回路図である。図５のカレントミラー回路２０はＮ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎ，Ｍｃｎで構成されている。Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎのドレインとゲートが互いに接続され、かつＮ型ＭＯＳトランジスタＭｃｎのゲートに接続されている。Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎ，Ｍｃｎのソースがそれぞれ接地されている。Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎのドレインに入力電流Ｉｉｎが入力され、Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｃｎのドレインに出力電流Ｉｏｕｔが入力される。図６のカレントミラー回路２０はＮ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎ，Ｍｃｎ，Ｍｍｎ´，Ｍｃｎ´で構成されている。Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎのドレインとゲートが互いに接続され、かつＮ型ＭＯＳトランジスタＭｃｎのゲートに接続されている。Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎ，Ｍｃｎのソースがそれぞれ接地されている。Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎ´のドレインとゲートが互いに接続され、かつＮ型ＭＯＳトランジスタＭｃｎ´のゲートに接続されている。Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎ´，Ｍｃｎ´のソースがそれぞれＮ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎ，Ｍｃｎのドレインに接続されている。Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎ´のドレインに入力電流Ｉｉｎが入力され、Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｃｎ´のドレインに出力電流Ｉｏｕｔが入力される。
このような構成の赤外線検出素子において、複数のダイオード１１の温度が上昇すると、複数のダイオード１１の順方向電圧Ｖｆは減少する。従って、電源ＶＤＤの電圧から電圧Ｖｆを引いた電圧であるＰ型ＭＯＳトランジスタＭｄｐのゲート電圧は増加し、Ｐ型ＭＯＳトランジスタＭｄｐの電流Ｉｄは減少する。この電流減少に応じてカレントミラー回路２０はダイオード１１の電流Ｉｆを減少させる。これにより、順方向電圧Ｖｆは更に減少する。
また、ダイオード１１の温度が下降すると、複数のダイオード１１の順方向電圧Ｖｆは増加する。従って、Ｐ型ＭＯＳトランジスタＭｄｐのゲート電圧は減少し、Ｐ型ＭＯＳトランジスタＭｄｐの電流Ｉｄは増加する。この電流増加に応じてカレントミラー回路２０はダイオード１１の電流Ｉｆを増加させる。これにより、ダイオード１１の順方向電圧Ｖｆは更に増加する。従って、ダイオード１１の順方向電圧Ｖｆと電流Ｉｆの変化に正帰還ループを施していることになる。
図７は、実施の形態１に係る赤外線検出素子のダイオードの電圧－電流特性を示す図である。比較例は、実施の形態１の赤外線検出素子の正帰還回路１８を有さず、ダイオード１１が電流源によって定電流駆動される構成である。比較例ではダイオード１１の温度が上昇するとダイオードの電圧Ｖｆが減少するだけである。本実施の形態では、温度センサであるダイオード１１の温度が入射赤外線によって上昇すると、ダイオード１１の順方向電圧Ｖｆは減少する。従って、電源ＶＤＤの電圧から電圧Ｖｆを引いた電圧であるＰ型ＭＯＳトランジスタＭｄｐのゲート電圧は増加し、Ｐ型ＭＯＳトランジスタＭｄｐの電流Ｉｄは減少する。この電流減少に応じてカレントミラー回路２０はダイオード１１の電流Ｉｆを減少させる。これにより、順方向電圧Ｖｆは更に減少する。よって、比較例のダイオードの定電流動作における入射赤外線吸収によるダイオード１個から得られる電圧変化以上の電圧変化が得られる。この結果、ダイオードの個数を増加させることなく、赤外線検出素子の検出感度を高めることができる。
なお、回路動作を安定させるために、ダイオード１１のインピーダンスをＺ、Ｐ型ＭＯＳトランジスタＭｄｐの相互コンダクタンスをｇｍｄ、カレントミラー電流比（出力／入力）をκとして、０＜κ・ｇｍｄ・Ｚ＜１の関係を満たすことが好ましい。
実施の形態２．
図８は、実施の形態２に係る赤外線検出素子を示す回路図である。複数のダイオード１１のカソードは接地されている。ダイオード１１のアノード電圧が熱型赤外線検出素子の出力電圧Ｖｐｉｘとして出力される。
図８は、実施の形態２に係る赤外線検出素子を示す回路図である。複数のダイオード１１のカソードは接地されている。ダイオード１１のアノード電圧が熱型赤外線検出素子の出力電圧Ｖｐｉｘとして出力される。
正帰還回路１８は、Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｄｎとカレントミラー回路２０を有する。Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｄｎは、ダイオード１１のアノード電圧をゲートから入力する。Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｄｎのソースは接地されている。
カレントミラー回路２０は、Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｄｎのドレイン電流を入力する。カレントミラー回路２０の出力はダイオード１１のアノードに接続されている。図９及び図１０はカレントミラー回路を示す回路図である。図９のカレントミラー回路２０はＰ型ＭＯＳトランジスタＭｍｐ，Ｍｃｐで構成されている。Ｐ型ＭＯＳトランジスタＭｍｐのドレインとゲートが互いに接続され、かつＰ型ＭＯＳトランジスタＭｃｐのゲートに接続されている。Ｐ型ＭＯＳトランジスタＭｍｐ，Ｍｃｐのソースがそれぞれ電源ＶＤＤに接続されている。Ｐ型ＭＯＳトランジスタＭｍｐのドレインから入力電流Ｉｉｐが引き出され、Ｐ型ＭＯＳトランジスタＭｃｐのドレインから出力電流Ｉｏｕｔが引き出される。図１０のカレントミラー回路２０はＰ型ＭＯＳトランジスタＭｍｐ，Ｍｃｐ，Ｍｍｐ´，Ｍｃｐ´で構成されている。Ｐ型ＭＯＳトランジスタＭｍｐのドレインとゲートが互いに接続され、かつＰ型ＭＯＳトランジスタＭｃｐのゲートに接続されている。Ｐ型ＭＯＳトランジスタＭｍｐ，Ｍｃｐのソースがそれぞれ電源ＶＤＤに接続されている。Ｐ型ＭＯＳトランジスタＭｍｐ´のドレインとゲートが互いに接続され、かつＰ型ＭＯＳトランジスタＭｃｐ´のゲートに接続されている。Ｐ型ＭＯＳトランジスタＭｍｐ´，Ｍｃｐ´のソースがそれぞれＰ型ＭＯＳトランジスタＭｍｐ，Ｍｃｐのドレインに接続されている。Ｐ型ＭＯＳトランジスタＭｍｐ´のドレインから入力電流Ｉｉｐが引き出され、Ｐ型ＭＯＳトランジスタＭｃｐ´のドレインから出力電流Ｉｏｕｔが引き出される。
このような構成の赤外線検出素子において、複数のダイオード１１の温度が上昇すると、複数のダイオード１１の順方向電圧Ｖｆは減少する。従って、Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｄｎのゲート電圧は減少し、Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｄｎの電流Ｉｄは減少する。この電流減少に応じてカレントミラー回路２０はダイオード１１の電流Ｉｆを減少させる。これにより、電圧Ｖｆは更に減少する。
また、ダイオード１１の温度が下降すると、複数のダイオード１１の順方向電圧Ｖｆは増加する。従って、Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｄｎのゲート電圧は増加し、Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｄｎの電流Ｉｄは増加する。この電流増加に応じてカレントミラー回路２０はダイオード１１の電流Ｉｆを増加させる。これにより、ダイオード１１の順方向電圧Ｖｆは更に増加する。
従って、ダイオード１１の順方向電圧Ｖｆと電流Ｉｆの変化に正帰還ループを施していることになる。よって、図７を参照して実施の形態１で説明したように、比較例のダイオードの定電流動作における入射赤外線吸収によるダイオード１個から得られる電圧変化以上の電圧変化が得られる。この結果、ダイオードの個数を増加させることなく赤外線検出素子の検出感度を高めることができる。
なお、回路動作を安定させるために、ダイオード１１のインピーダンスをＺ、Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｄｎの相互コンダクタンスをｇｍｄ、カレントミラー電流比（出力／入力）をκとして、０＜κ・ｇｍｄ・Ｚ＜１の関係を満たすことが好ましい。
実施の形態３．
図１１は、実施の形態３に係る赤外線検出素子を示す回路図である。ダイオード１１のカソードとカレントミラー回路２０の出力との間に抵抗Ｒｐｉｘが接続されている。ダイオード１１の温度が上昇するとダイオード電圧Ｖｆは減少し、正帰還ループによりダイオード１１の電流Ｉｆが減少し、ダイオード電圧Ｖｆは更に減少する。この時、赤外線検出素子の出力電圧Ｖｐｉｘは、ダイオード電圧Ｖｆと、ダイオード１１の電流Ｉｆによる抵抗Ｒｐｉｘでの電圧降下量で決定される。ダイオード１１の電流Ｉｆが減少すると抵抗Ｒｐｉｘでの電圧降下量も減少するため、赤外線検出素子の出力電圧Ｖｐｉｘの変化が更に大きくなる。これにより、高感度な赤外線検出素子を実現することができる。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。
図１１は、実施の形態３に係る赤外線検出素子を示す回路図である。ダイオード１１のカソードとカレントミラー回路２０の出力との間に抵抗Ｒｐｉｘが接続されている。ダイオード１１の温度が上昇するとダイオード電圧Ｖｆは減少し、正帰還ループによりダイオード１１の電流Ｉｆが減少し、ダイオード電圧Ｖｆは更に減少する。この時、赤外線検出素子の出力電圧Ｖｐｉｘは、ダイオード電圧Ｖｆと、ダイオード１１の電流Ｉｆによる抵抗Ｒｐｉｘでの電圧降下量で決定される。ダイオード１１の電流Ｉｆが減少すると抵抗Ｒｐｉｘでの電圧降下量も減少するため、赤外線検出素子の出力電圧Ｖｐｉｘの変化が更に大きくなる。これにより、高感度な赤外線検出素子を実現することができる。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。
ダイオード１１の電流Ｉｆが数μＡオーダーであれば、抵抗Ｒｐｉｘとして数ｋΩ程度の高抵抗なものを用いる。これにより、ダイオード１１の電流Ｉｆによる抵抗Ｒｐｉｘでの電圧降下量を大きくすることができる。
図１２は、実施の形態３に係る赤外線検出素子の変形例を示す回路図である。ダイオード１１のアノードとカレントミラー回路２０の出力との間に抵抗Ｒｐｉｘが接続されている。これにより、高感度な赤外線検出素子を実現することができる。その他の構成及び効果は実施の形態２と同様である。
実施の形態４．
図１３は、実施の形態４に係る赤外線検出素子を示す回路図である。図１１に示した実施の形態３の抵抗ＲｐｉｘをＮ型ＭＯＳトランジスタで構成している。入射した赤外線による温度上昇に限らず、赤外線検出素子を使用する際の赤外線検出素子の周囲の温度である環境温度が高くなった場合にもダイオード１１の電流Ｉｆは減少し、利得が変化する。そこで、制御回路２１が抵抗ＲｐｉｘのＮ型ＭＯＳトランジスタのゲート電圧ＶＡＭＢを環境温度に応じて変化させ、環境温度が高くなるほど抵抗Ｒｐｉｘの抵抗値を小さくする。これにより、環境温度変化による利得変化を少なくすることができる。なお、Ｎ型ＭＯＳトランジスタは環境温度変化に対して線形領域動作範囲で使用する。その他の構成及び効果は実施の形態３と同様である。
図１３は、実施の形態４に係る赤外線検出素子を示す回路図である。図１１に示した実施の形態３の抵抗ＲｐｉｘをＮ型ＭＯＳトランジスタで構成している。入射した赤外線による温度上昇に限らず、赤外線検出素子を使用する際の赤外線検出素子の周囲の温度である環境温度が高くなった場合にもダイオード１１の電流Ｉｆは減少し、利得が変化する。そこで、制御回路２１が抵抗ＲｐｉｘのＮ型ＭＯＳトランジスタのゲート電圧ＶＡＭＢを環境温度に応じて変化させ、環境温度が高くなるほど抵抗Ｒｐｉｘの抵抗値を小さくする。これにより、環境温度変化による利得変化を少なくすることができる。なお、Ｎ型ＭＯＳトランジスタは環境温度変化に対して線形領域動作範囲で使用する。その他の構成及び効果は実施の形態３と同様である。
図１４は、実施の形態４に係る赤外線検出素子の変形例を示す回路図である。図１２に示した実施の形態３の変形例の抵抗ＲｐｉｘをＮ型ＭＯＳトランジスタで構成している。制御回路２１はＮ型ＭＯＳトランジスタのゲート電圧ＶＡＭＢを環境温度に応じて変化させ、環境温度が高くなるほど抵抗Ｒｐｉｘの抵抗値を小さくする。これにより、環境温度変化による利得変化を少なくすることができる。その他の構成及び効果は実施の形態３の変形例と同様である。
実施の形態５．
図１５は、実施の形態５に係る赤外線検出素子を示す回路図である。ダイオード１１のアノードとＰ型ＭＯＳトランジスタＭｄｐのソースが同じ電源ＶＤＤに接続されている。これにより、ダイオード１１のアノード電圧とＰ型ＭＯＳトランジスタＭｄｐのソース電圧が同じになるため、電源電圧変動時に赤外線検出素子の感度に変化が生じなくなる。また、電源電圧変動による利得変化が無くなる。その他の構成及び効果は実施の形態３と同様である。
図１５は、実施の形態５に係る赤外線検出素子を示す回路図である。ダイオード１１のアノードとＰ型ＭＯＳトランジスタＭｄｐのソースが同じ電源ＶＤＤに接続されている。これにより、ダイオード１１のアノード電圧とＰ型ＭＯＳトランジスタＭｄｐのソース電圧が同じになるため、電源電圧変動時に赤外線検出素子の感度に変化が生じなくなる。また、電源電圧変動による利得変化が無くなる。その他の構成及び効果は実施の形態３と同様である。
実施の形態６．
図１６は、実施の形態６に係る赤外線検出素子を示す回路図である。カレントミラー回路２０はカスコード接続されたＮ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎ，Ｍｃｎ，Ｍｍｎ´，Ｍｃｎ´を有する。Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎのドレインとゲートが互いに接続され、かつＮ型ＭＯＳトランジスタＭｃｎのゲートに接続されている。Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎ，Ｍｃｎのソースがそれぞれ接地されている。Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎ´のドレインとゲートが互いに接続され、かつＮ型ＭＯＳトランジスタＭｃｎ´のゲートに接続されている。Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎ´，Ｍｃｎ´のソースがそれぞれＮ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎ，Ｍｃｎのドレインに接続されている。Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎ´のドレインがＰ型ＭＯＳトランジスタＭｄｐのドレインに接続され、Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｃｎ´のドレインが抵抗Ｒｐｉｘに接続されている。これにより、カレントミラー回路２０のＮ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎとＮ型ＭＯＳトランジスタＭｃｎのドレイン電圧が一致し、カレントミラー回路２０の電流の複製精度が向上する。その他の構成及び効果は実施の形態３と同様である。
図１６は、実施の形態６に係る赤外線検出素子を示す回路図である。カレントミラー回路２０はカスコード接続されたＮ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎ，Ｍｃｎ，Ｍｍｎ´，Ｍｃｎ´を有する。Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎのドレインとゲートが互いに接続され、かつＮ型ＭＯＳトランジスタＭｃｎのゲートに接続されている。Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎ，Ｍｃｎのソースがそれぞれ接地されている。Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎ´のドレインとゲートが互いに接続され、かつＮ型ＭＯＳトランジスタＭｃｎ´のゲートに接続されている。Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎ´，Ｍｃｎ´のソースがそれぞれＮ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎ，Ｍｃｎのドレインに接続されている。Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎ´のドレインがＰ型ＭＯＳトランジスタＭｄｐのドレインに接続され、Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｃｎ´のドレインが抵抗Ｒｐｉｘに接続されている。これにより、カレントミラー回路２０のＮ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎとＮ型ＭＯＳトランジスタＭｃｎのドレイン電圧が一致し、カレントミラー回路２０の電流の複製精度が向上する。その他の構成及び効果は実施の形態３と同様である。
図１７は、実施の形態６に係る赤外線検出素子の変形例を示す回路図である。カレントミラー回路２０はカスコード接続されたＰ型ＭＯＳトランジスタＭｍｐ，Ｍｃｐ，Ｍｍｐ´，Ｍｃｐ´を有する。Ｐ型ＭＯＳトランジスタＭｍｐのドレインとゲートが互いに接続され、かつＰ型ＭＯＳトランジスタＭｃｐのゲートに接続されている。Ｐ型ＭＯＳトランジスタＭｍｐ，Ｍｃｐのソースがそれぞれ電源ＶＤＤに接続されている。Ｐ型ＭＯＳトランジスタＭｍｐ´のドレインとゲートが互いに接続され、かつＰ型ＭＯＳトランジスタＭｃｐ´のゲートに接続されている。Ｐ型ＭＯＳトランジスタＭｍｐ´，Ｍｃｐ´のソースがそれぞれＰ型ＭＯＳトランジスタＭｍｐ，Ｍｃｐのドレインに接続されている。Ｐ型ＭＯＳトランジスタＭｍｐ´のドレインがＮ型ＭＯＳトランジスタＭｄｎのドレインに接続され、Ｐ型ＭＯＳトランジスタＭｃｐ´のドレインが抵抗Ｒｐｉｘに接続されている。これにより、カレントミラー回路２０のＰ型ＭＯＳトランジスタＭｍｐとＰ型ＭＯＳトランジスタＭｃｐのドレイン電圧が一致し、カレントミラー回路２０の電流の複製精度が向上する。その他の構成及び効果は実施の形態４と同様である。
実施の形態７．
図１８は、実施の形態７に係る赤外線検出素子を示す回路図である。カレントミラー回路２０はＮ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎ，Ｍｃｎを有する。Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎのドレインとゲートが互いに接続され、かつＮ型ＭＯＳトランジスタＭｃｎのゲートに接続されている。Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎ，Ｍｃｎのソースがそれぞれ接地されている。Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎのドレインがＰ型ＭＯＳトランジスタＭｄｐのドレインに接続され、Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｃｎのドレインが赤外線検知部８に接続されている。ダイオード１１のカソードとカレントミラー回路２０の電流源のＮ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎ，Ｍｃｎのゲートとの間にＮ型ＭＯＳトランジスタＭｓｕがダイオード接続されている。Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｓｕのゲート及びドレインがダイオード１１のカソードに接続され、Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｓｕのソースがＮ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎ，Ｍｃｎのゲートに接続されている。ＭＯＳトランジスタＭｓｕのしきい値電圧は、ダイオード１１のアノードに印加する電源ＶＤＤの電圧より低く、赤外線検出素子の検出対象とする被写体温度範囲(下限温度から上限温度)の物体からの赤外線入射により変化するダイオード１１のカソード電圧Ｖｐｉｘの上限値と下限値の電圧範囲である正常動作電圧範囲よりも高く設定されている。その他の構成は実施の形態１と同様である。
図１８は、実施の形態７に係る赤外線検出素子を示す回路図である。カレントミラー回路２０はＮ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎ，Ｍｃｎを有する。Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎのドレインとゲートが互いに接続され、かつＮ型ＭＯＳトランジスタＭｃｎのゲートに接続されている。Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎ，Ｍｃｎのソースがそれぞれ接地されている。Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎのドレインがＰ型ＭＯＳトランジスタＭｄｐのドレインに接続され、Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｃｎのドレインが赤外線検知部８に接続されている。ダイオード１１のカソードとカレントミラー回路２０の電流源のＮ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎ，Ｍｃｎのゲートとの間にＮ型ＭＯＳトランジスタＭｓｕがダイオード接続されている。Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｓｕのゲート及びドレインがダイオード１１のカソードに接続され、Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｓｕのソースがＮ型ＭＯＳトランジスタＭｍｎ，Ｍｃｎのゲートに接続されている。ＭＯＳトランジスタＭｓｕのしきい値電圧は、ダイオード１１のアノードに印加する電源ＶＤＤの電圧より低く、赤外線検出素子の検出対象とする被写体温度範囲(下限温度から上限温度)の物体からの赤外線入射により変化するダイオード１１のカソード電圧Ｖｐｉｘの上限値と下限値の電圧範囲である正常動作電圧範囲よりも高く設定されている。その他の構成は実施の形態１と同様である。
実施の形態１の場合、Ｉｆ＝０、Ｖｇ＝０、Ｖｐｉｘ＝ＶＤＤでも安定点が存在する。本実施の形態では、起動不良時に、ＭＯＳトランジスタＭｓｕがＯＮになり、電圧Ｖｐｉｘを強制的に下げることで、ＭＯＳトランジスタＭｄｐ，Ｍｍｎ，Ｍｃｎの順に電流を流し、確実に赤外線検出素子の起動を行うことができる。その他、実施の形態１と同様の効果も得ることができる。
実施の形態８．
図１９は、実施の形態８に係る赤外線検出素子を示す回路図である。複数の赤外線検知部８がアレイ状に配列されている。正帰還回路１８、電流源２２及び差動積分回路２３が、アレイ状に配列された複数の赤外線検知部８の列ごとに設けられている。各赤外線検知部８は、直列接続された複数のダイオード１１を有する。従って、正帰還回路１８は、直列接続された複数のダイオード１１の列ごとに設けられている。カレントミラー回路２０のＭＯＳトランジスタＭｍｎ，Ｍｃｎは同じ仕様であり、カレントミラー回路２０のカレントミラー比κは１である。
図１９は、実施の形態８に係る赤外線検出素子を示す回路図である。複数の赤外線検知部８がアレイ状に配列されている。正帰還回路１８、電流源２２及び差動積分回路２３が、アレイ状に配列された複数の赤外線検知部８の列ごとに設けられている。各赤外線検知部８は、直列接続された複数のダイオード１１を有する。従って、正帰還回路１８は、直列接続された複数のダイオード１１の列ごとに設けられている。カレントミラー回路２０のＭＯＳトランジスタＭｍｎ，Ｍｃｎは同じ仕様であり、カレントミラー回路２０のカレントミラー比κは１である。
複数の赤外線検知部８のダイオード１１のアノードが、複数の赤外線検知部８の配列方向に沿って順に駆動線２４に接続されている。駆動線２４の一端は電源ＶＤＤに接続されている。複数の正帰還回路１８のＰ型ＭＯＳトランジスタＭｄｐのソースが、複数の赤外線検知部８の配列方向に沿って順に回路電源線２５に接続されている。回路電源線２５の一端は電源ＶＤＳに接続されている。複数の電流源２２は複数の赤外線検知部８の配列方向に沿って順にダミー駆動線２６に接続されている。
回路電源線２５、駆動線２４及びダミー駆動線２６は同じ抵抗を有する。電流源２２は、対応するカレントミラー回路２０のＭＯＳトランジスタＭｍｎ，Ｍｃｎと同じ仕様のＭＯＳトランジスタＭｃｄを有する。対応するカレントミラー回路２０のＭＯＳトランジスタＭｍｎ，Ｍｃｎのゲートと電流源２２のＮ型ＭＯＳトランジスタＭｃｄのゲートは共通接続されている。Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｃｄのソースは接地され、Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｃｄのドレインはダミー駆動線２６に接続されている。電流源２２の電流値は、複数の赤外線検知部８の配列方向に沿ったダミー駆動線２６の電位分布と駆動線２４の電位分布が同じになるように設定される。従って、ダミー駆動線２６上で駆動線２４の電圧降下が模擬される。
赤外線検知部８のダイオード１１と駆動線２４の接続点と、対応する電流源２２とダミー駆動線２６の接続点とは、複数の赤外線検知部８の配列方向において同じ位置である。差動積分回路２３は、対応するカレントミラー回路２０の出力電圧と、対応する電流源２２とダミー駆動線２６の接続点の電圧の差分を増幅して出力する。これにより、あるダイオード１１の電流変化によって駆動線２４の電圧変化が生じても他のダイオード１１の赤外線検知部８の出力への影響を無くすことができる。
実施の形態９．
図２０は、実施の形態９に係る赤外線検出素子を示す回路図である。信号線２７がダイオード１１のカソードを対応する差動積分回路２３に接続する。スイッチＳＷ１が、ダイオード１１に電圧を供給する電源ＶＤＤとダイオード１１のアノードとの間に接続されている。スタートアップ用のスイッチＳＷ２がダミー駆動線２６と信号線２７との間に接続されている。具体的には、スイッチＳＷ２の一端が信号線路２７に接続され、スイッチＳＷ２の他端が差動積分回路２３、Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｃｄのドレイン、ダミー駆動線２６に接続されている。
図２０は、実施の形態９に係る赤外線検出素子を示す回路図である。信号線２７がダイオード１１のカソードを対応する差動積分回路２３に接続する。スイッチＳＷ１が、ダイオード１１に電圧を供給する電源ＶＤＤとダイオード１１のアノードとの間に接続されている。スタートアップ用のスイッチＳＷ２がダミー駆動線２６と信号線２７との間に接続されている。具体的には、スイッチＳＷ２の一端が信号線路２７に接続され、スイッチＳＷ２の他端が差動積分回路２３、Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭｃｄのドレイン、ダミー駆動線２６に接続されている。
スイッチＳＷ２により水平ブランキング期間に信号線２７とダミー駆動線２６を短絡し、強制的にＰ型ＭＯＳトランジスタＭｄｐのゲート電圧を下げて電流を流す。これにより、赤外線検出素子の起動を正常に行うことができる。例えばスイッチＳＷ１と反転したタイミングでスイッチＳＷ２を動作させる。
１ 基板、８ 赤外線検知部、１１ ダイオード、１８ 正帰還回路、２０ カレントミラー回路、２１ 制御回路、２２ 電流源、２３ 差動積分回路、２４ 駆動線、２６ ダミー駆動線、２７ 信号線、Ｍｄｐ，Ｍｍｐ，Ｍｃｐ，Ｍｍｐ´，Ｍｃｐ´ Ｐ型ＭＯＳトランジスタ、Ｍｄｎ，Ｍｍｎ，Ｍｃｎ，Ｍｍｎ´，Ｍｃｎ´，Ｍｓｕ Ｎ型ＭＯＳトランジスタ、Ｒｐｉｘ 抵抗、ＳＷ２ スイッチ
Claims (14)
- 基板と、
前記基板の上に設けられ、前記基板から断熱されたダイオードと、
前記ダイオードの温度変化により前記ダイオードの電流が減少した時には前記ダイオードの電流が更に減少するように、前記ダイオードの電流が増加した時には前記ダイオードの電流が更に増加するように正帰還ループを施す正帰還回路とを備え、
前記正帰還回路は、
前記ダイオードのカソード電圧をゲートから入力し、ソースが電源に接続されたＰ型ＭＯＳトランジスタと、
前記Ｐ型ＭＯＳトランジスタのドレイン電流を入力し、出力が前記ダイオードのカソードに接続されたカレントミラー回路とを有し、
前記ダイオードのカソードと前記Ｐ型ＭＯＳトランジスタのゲートは赤外線検出素子の出力に接続され、前記ダイオードのカソード電圧が前記赤外線検出素子の出力電圧として出力されることを特徴とする赤外線検出素子。 - 前記ダイオードのインピーダンスをＺ、前記Ｐ型ＭＯＳトランジスタの相互コンダクタンスをｇｍｄ、前記カレントミラー回路のカレントミラー電流比をκとして０＜κ・ｇｍｄ・Ｚ＜１であることを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出素子。
- 基板と、
前記基板の上に設けられ、前記基板から断熱されたダイオードと、
前記ダイオードの温度変化により前記ダイオードの電流が減少した時には前記ダイオードの電流が更に減少するように、前記ダイオードの電流が増加した時には前記ダイオードの電流が更に増加するように正帰還ループを施す正帰還回路とを備え、
前記正帰還回路は、
前記ダイオードのアノード電圧をゲートから入力し、ソースは接地されているＮ型ＭＯＳトランジスタと、
前記Ｎ型ＭＯＳトランジスタのドレイン電流を入力し、出力が前記ダイオードのアノードに接続されたカレントミラー回路とを有し、
前記ダイオードのアノードと前記Ｎ型ＭＯＳトランジスタのゲートは赤外線検出素子の出力に接続され、前記ダイオードのアノード電圧が前記赤外線検出素子の出力電圧として出力されることを特徴とする赤外線検出素子。 - 前記ダイオードのインピーダンスをＺ、前記Ｎ型ＭＯＳトランジスタの相互コンダクタンスをｇｍｄ、前記カレントミラー回路のカレントミラー電流比をκとして０＜κ・ｇｍｄ・Ｚ＜１であることを特徴とする請求項３に記載の赤外線検出素子。
- 前記ダイオードと前記カレントミラー回路の出力との間に接続された抵抗を更に備えることを特徴とする請求項１～４の何れか１項に記載の赤外線検出素子。
- 前記抵抗はＭＯＳトランジスタで構成され、
前記赤外線検出素子は、前記ＭＯＳトランジスタのゲート電圧を前記赤外線検出素子を使用する際の前記赤外線検出素子の周囲の温度である環境温度に応じて変化させ、前記環境温度が高くなるほど前記抵抗の抵抗値を小さくする制御回路を更に備えることを特徴とする請求項５に記載の赤外線検出素子。 - 前記ダイオードのアノードと前記Ｐ型ＭＯＳトランジスタのソースが同じ電位に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線検出素子。
- 前記カレントミラー回路はカスコード接続されたトランジスタを有することを特徴とする請求項１～７の何れか１項に記載の赤外線検出素子。
- 前記ダイオードのカソードと前記カレントミラー回路のトランジスタのゲートとの間にダイオード接続されたＭＯＳトランジスタを更に備え、
前記ＭＯＳトランジスタのしきい値電圧は前記ダイオードのアノードに印加する電源電圧より低く、前記赤外線検出素子の検出対象とする温度範囲の物体からの赤外線入射により変化する前記ダイオードのカソード電圧の上限値と下限値の電圧範囲である正常動作電圧範囲よりも高く設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線検出素子。 - 基板と、
前記基板の上にアレイ状に配列された複数の赤外線検知部と、
アレイ状に配列された前記複数の赤外線検知部の列ごとに設けられた正帰還回路とを備え、
各赤外線検知部は、前記基板から断熱され直列接続された複数のダイオードを有し、
各正帰還回路は、対応する前記赤外線検知部の前記ダイオードの温度変化により前記ダイオードの電流が減少した時には前記ダイオードの電流が更に減少するように、前記ダイオードの電流が増加した時には前記ダイオードの電流が更に増加するように正帰還ループを施し、
各正帰還回路は、
前記ダイオードのカソード電圧をゲートから入力し、ソースが電源に接続されたＰ型ＭＯＳトランジスタと、
前記Ｐ型ＭＯＳトランジスタのドレイン電流を入力し、出力が前記ダイオードのカソードに接続されたカレントミラー回路とを有し、
前記ダイオードのカソードと前記Ｐ型ＭＯＳトランジスタのゲートは赤外線検出素子の出力に接続され、前記ダイオードのカソード電圧が前記赤外線検出素子の出力電圧として出力されることを特徴とすることを特徴とする赤外線検出素子。 - 前記赤外線検出素子は、
前記複数の赤外線検知部の前記ダイオードのアノードが前記複数の赤外線検知部の配列方向に沿って順に接続された駆動線と、
前記複数の正帰還回路に対してそれぞれ設けられた複数の電流源と、
前記複数の電流源が前記配列方向に沿って順に接続されたダミー駆動線と、
前記複数の赤外線検知部に対してそれぞれ設けられた複数の差動積分回路とを更に備え、
前記駆動線及び前記ダミー駆動線は同じ抵抗を有し、
前記複数の電流源の電流値は、前記配列方向に沿った前記ダミー駆動線の電位分布と前記駆動線の電位分布が同じになるように設定され、
前記差動積分回路は、対応する前記カレントミラー回路の出力電圧と、対応する前記電流源と前記ダミー駆動線の接続点の電圧の差分を出力することを特徴とする請求項１０に記載の赤外線検出素子。 - 前記電流源は、対応する前記カレントミラー回路のＭＯＳトランジスタと同じ仕様のＭＯＳトランジスタを有し、
対応する前記カレントミラー回路のＭＯＳトランジスタのゲートと前記電流源のＭＯＳトランジスタのゲートは共通接続されていることを特徴とする請求項１１に記載の赤外線検出素子。 - 前記ダイオードのカソードを対応する前記差動積分回路に接続する信号線と、
前記ダミー駆動線と前記信号線との間に接続されたスイッチとを更に備える請求項１１又は１２に記載の赤外線検出素子。 - 基板と、
前記基板の上にアレイ状に配列された複数の赤外線検知部と、
アレイ状に配列された前記複数の赤外線検知部の列ごとに設けられた正帰還回路とを備え、
各赤外線検知部は、前記基板から断熱され直列接続された複数のダイオードを有し、
各正帰還回路は、対応する前記赤外線検知部の前記ダイオードの温度変化により前記ダイオードの電流が減少した時には前記ダイオードの電流が更に減少するように、前記ダイオードの電流が増加した時には前記ダイオードの電流が更に増加するように正帰還ループを施し、
各正帰還回路は、
前記ダイオードのアノード電圧をゲートから入力し、ソースは接地されているＮ型ＭＯＳトランジスタと、
前記Ｎ型ＭＯＳトランジスタのドレイン電流を入力し、出力が前記ダイオードのアノードに接続されたカレントミラー回路とを有し、
前記ダイオードのアノードと前記Ｎ型ＭＯＳトランジスタのゲートは赤外線検出素子の出力に接続され、前記ダイオードのアノード電圧が前記赤外線検出素子の出力電圧として出力されることを特徴とすることを特徴とする赤外線検出素子。
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