JPH05340810A - 電荷積分型二次元アレイ光検出器用信号読み出し回路 - Google Patents
電荷積分型二次元アレイ光検出器用信号読み出し回路Info
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- JPH05340810A JPH05340810A JP4145180A JP14518092A JPH05340810A JP H05340810 A JPH05340810 A JP H05340810A JP 4145180 A JP4145180 A JP 4145180A JP 14518092 A JP14518092 A JP 14518092A JP H05340810 A JPH05340810 A JP H05340810A
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- Japan
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- transistor
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- 230000010354 integration Effects 0.000 title claims description 13
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 11
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims abstract description 7
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- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 229910000661 Mercury cadmium telluride Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
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- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
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- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
- H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
- H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Radiation Pyrometers (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 電荷積分型二次元アレイ光検出器の温度分解
能を向上される。 【構成】 本発明の画素積分型二次元アレイ光検出器の
信号読み出し回路のユニットセルの構成と回路駆動方式
に関するものである。二次元アレイ面内のユニットセル
は電荷蓄積用キャパシタ１個、フォトダイオード用コン
タクト電極Ｎ個、フォトダイオード選択用トランジスタ
Ｎ個、ダイレクト・インジェクション・ゲート・トラン
ジスタ４個、リセット・トランジスタ１個、読み出しト
ランジスタ１個から構成されている。Ｎは全画素数より
小さい０，１以外の整数値。
能を向上される。 【構成】 本発明の画素積分型二次元アレイ光検出器の
信号読み出し回路のユニットセルの構成と回路駆動方式
に関するものである。二次元アレイ面内のユニットセル
は電荷蓄積用キャパシタ１個、フォトダイオード用コン
タクト電極Ｎ個、フォトダイオード選択用トランジスタ
Ｎ個、ダイレクト・インジェクション・ゲート・トラン
ジスタ４個、リセット・トランジスタ１個、読み出しト
ランジスタ１個から構成されている。Ｎは全画素数より
小さい０，１以外の整数値。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は電荷蓄積型二次元アレイ
光検出器用の信号読み出し回路に関するものである。
光検出器用の信号読み出し回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】二次元アレイ赤外線検出器は信号検知部
とその信号を外部に読み出す為の回路により構成されて
いる。
とその信号を外部に読み出す為の回路により構成されて
いる。
【０００３】一例として、雑誌ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａ
ｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ
ｓ ｖｏｌ．３８ ＮＯ．５の１１０４頁に搭載されて
いる、米国Ｒｏｃｋｗｅｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎ
ａｌ社がＨｇＣｄＴｅフォトダイオードを用いた２５６
×２５６アレイ中間赤外線検出器用に開発した信号読み
出し回路の回路図を図３に示す。二次元アレイ面内にユ
ニットセル１は、電荷蓄積用キャパシタ２、フォトダイ
オード用コンタクト電極（図ではフォトダイオード３で
示した）、ダイレクト・インジェクション・ゲート・ト
ランジスタ５、リセット・トランジスタ６、読み出しト
ランジスタ７で構成されている。前記リセットトランジ
スタ、及び前記読み出しトランジスタのゲート入力はＸ
−シフトレジスタ８で制御され、各画素の前記電荷蓄積
用キャパシタに積分された電荷はＹ−シフトレジスタ９
により読み出しライン１２へ転送され、バッファーアン
プ１３を介して出力される。
ｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ
ｓ ｖｏｌ．３８ ＮＯ．５の１１０４頁に搭載されて
いる、米国Ｒｏｃｋｗｅｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎ
ａｌ社がＨｇＣｄＴｅフォトダイオードを用いた２５６
×２５６アレイ中間赤外線検出器用に開発した信号読み
出し回路の回路図を図３に示す。二次元アレイ面内にユ
ニットセル１は、電荷蓄積用キャパシタ２、フォトダイ
オード用コンタクト電極（図ではフォトダイオード３で
示した）、ダイレクト・インジェクション・ゲート・ト
ランジスタ５、リセット・トランジスタ６、読み出しト
ランジスタ７で構成されている。前記リセットトランジ
スタ、及び前記読み出しトランジスタのゲート入力はＸ
−シフトレジスタ８で制御され、各画素の前記電荷蓄積
用キャパシタに積分された電荷はＹ−シフトレジスタ９
により読み出しライン１２へ転送され、バッファーアン
プ１３を介して出力される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】二次元アレイ赤外線検
出器の温度分解能を向上させるためには、蓄積電荷量を
出来るだけ大きくすることが必要である。一方、画素
数、検出器の小型化に対する要請から二次元アレイを構
成する単位画素の大きさは、１２８×１２８アレイで５
０〜６０μｍ□、２５６×２５６アレイで４０μｍ□程
度となる。単位画素に含まれるトランジスタ３個と配線
部を確保した残りが電荷蓄積用キャパシタとして利用出
来る領域となる。限られた画素面積を積分容量としてい
かに有効に利用するかが重要な課題となる。画素サイ
ズ、面積利用率（単位画素面積に対するキャパシタ面積
の割合）、面容量をそれぞれ、４０μｍ□、３９％、８
×１０-4 ｐＦ／μｍ2 とすると容量は０．５ｐＦとな
る。
出器の温度分解能を向上させるためには、蓄積電荷量を
出来るだけ大きくすることが必要である。一方、画素
数、検出器の小型化に対する要請から二次元アレイを構
成する単位画素の大きさは、１２８×１２８アレイで５
０〜６０μｍ□、２５６×２５６アレイで４０μｍ□程
度となる。単位画素に含まれるトランジスタ３個と配線
部を確保した残りが電荷蓄積用キャパシタとして利用出
来る領域となる。限られた画素面積を積分容量としてい
かに有効に利用するかが重要な課題となる。画素サイ
ズ、面積利用率（単位画素面積に対するキャパシタ面積
の割合）、面容量をそれぞれ、４０μｍ□、３９％、８
×１０-4 ｐＦ／μｍ2 とすると容量は０．５ｐＦとな
る。
【０００５】ここで受光波長帯域３〜５μｍ及び４．２
〜４．８μｍ、背景温度３００Ｋ及び３５０Ｋのバック
グランド状態における飽和積分時間の見積りを表１に示
す。
〜４．８μｍ、背景温度３００Ｋ及び３５０Ｋのバック
グランド状態における飽和積分時間の見積りを表１に示
す。
【０００６】
【表１】
【０００７】本計算に於いて光学系のＦ値：２．０、光
学系の透過率：０．６８、積分容量：０．５ｐＦ、ボル
テージスウィング：３Ｖ、量子効率：０．５、受光部面
積：１．６８×１０- 5 ｃｍ2 とした。同表で与えたバ
ックグランド状態に於いて、積分容量は最大積分時間
８．３３ｍｓ（フレームレート：１２０Ｈｚ）より前に
飽和に達してることがわかる。即ち、蓄積容量が温度分
解能を制限している。
学系の透過率：０．６８、積分容量：０．５ｐＦ、ボル
テージスウィング：３Ｖ、量子効率：０．５、受光部面
積：１．６８×１０- 5 ｃｍ2 とした。同表で与えたバ
ックグランド状態に於いて、積分容量は最大積分時間
８．３３ｍｓ（フレームレート：１２０Ｈｚ）より前に
飽和に達してることがわかる。即ち、蓄積容量が温度分
解能を制限している。
【０００８】本発明の目的は、従来型の抱えるこのよう
な課題を解決し、温度分解能の向上を計ることにある。
な課題を解決し、温度分解能の向上を計ることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による電荷蓄積型二次元アレイ光検出器用の
信号読み出し回路に於いて、二次元アレイ面内のユニッ
トセルは電荷蓄積用キャパシタ１個、フォトダイオード
用コンタクト電極Ｎ個、フォトダイオード選択用トラン
ジスタＮ個、ダイレクト・インジェクション・ゲート・
トランジスタ１個、リセット・トランジスタ１個、読み
出しトランジスタ１個から構成され、前記リセットトラ
ンジスタ、及び前記読み出しトランジスタのゲートを制
御するシフトレジスタと、読み出しラインに転送するた
めのシフトレジスタ、及び前記フォトダイオード選択用
トランジスタのゲート制御用シフトレジスタ、及び信号
読み出しラインとバッファーアンプを具備する。ここで
Ｎは全画素数より小さい０，１以外の整数値である。
に、本発明による電荷蓄積型二次元アレイ光検出器用の
信号読み出し回路に於いて、二次元アレイ面内のユニッ
トセルは電荷蓄積用キャパシタ１個、フォトダイオード
用コンタクト電極Ｎ個、フォトダイオード選択用トラン
ジスタＮ個、ダイレクト・インジェクション・ゲート・
トランジスタ１個、リセット・トランジスタ１個、読み
出しトランジスタ１個から構成され、前記リセットトラ
ンジスタ、及び前記読み出しトランジスタのゲートを制
御するシフトレジスタと、読み出しラインに転送するた
めのシフトレジスタ、及び前記フォトダイオード選択用
トランジスタのゲート制御用シフトレジスタ、及び信号
読み出しラインとバッファーアンプを具備する。ここで
Ｎは全画素数より小さい０，１以外の整数値である。
【００１０】
【作用】Ｎ個のフォトダイオードの信号の検出を一つの
ユニットセルで行うことにより、ユニットセル面積が従
来のＮ倍になる為、従来型のＮ倍以上の積分容量が実現
できる。この結果、温度分解能は最大でＮ1 / 2 倍向上
する。また読み出しトランジスタが従来型より少なくな
るため、その分浮遊容量が減り、容量分割にともなう温
度分解能の劣化が低減する。
ユニットセルで行うことにより、ユニットセル面積が従
来のＮ倍になる為、従来型のＮ倍以上の積分容量が実現
できる。この結果、温度分解能は最大でＮ1 / 2 倍向上
する。また読み出しトランジスタが従来型より少なくな
るため、その分浮遊容量が減り、容量分割にともなう温
度分解能の劣化が低減する。
【００１１】
【実施例】本発明の実施例を図を用いて説明する。Ｎ＝
４の場合の電荷蓄積型二次元アレイ光検出器用の信号読
み出し回路の概略を図１に示す。二次元アレイ面内のユ
ニットセルは電荷蓄積用キャパシタ２、フォトダイオー
ド用コンタクト電極（図ではＭＣＴフォトダイオード３
を示した）、フォトダイオード選択用トランジスタ４、
ダイレクト・インジェクション・ゲート・トランジスタ
５、リセット・トランジスタ６、読み出しトランジスタ
７で構成されている。前記フォトダイオード・選択用ト
ランジスタ４はシフトレジスタ１０で動作する。前記リ
セット・トランジスタ６、及び前記読み出しトランジス
タ７のゲートの制御はＸ−シフトレジスタ８で、ローバ
ス１１から読み出しライン１２への転送は、Ｙ−シフト
レジスタ９により行う。本発明の回路は、１つのユニッ
トセルによって、隣接した４つのフォトダイオードの信
号出力を時分割により順次行うことを特徴としている。
図２のタイミングチャートで駆動方法を説明する。
４の場合の電荷蓄積型二次元アレイ光検出器用の信号読
み出し回路の概略を図１に示す。二次元アレイ面内のユ
ニットセルは電荷蓄積用キャパシタ２、フォトダイオー
ド用コンタクト電極（図ではＭＣＴフォトダイオード３
を示した）、フォトダイオード選択用トランジスタ４、
ダイレクト・インジェクション・ゲート・トランジスタ
５、リセット・トランジスタ６、読み出しトランジスタ
７で構成されている。前記フォトダイオード・選択用ト
ランジスタ４はシフトレジスタ１０で動作する。前記リ
セット・トランジスタ６、及び前記読み出しトランジス
タ７のゲートの制御はＸ−シフトレジスタ８で、ローバ
ス１１から読み出しライン１２への転送は、Ｙ−シフト
レジスタ９により行う。本発明の回路は、１つのユニッ
トセルによって、隣接した４つのフォトダイオードの信
号出力を時分割により順次行うことを特徴としている。
図２のタイミングチャートで駆動方法を説明する。
【００１２】初めの１／４フレーム、即ち図２中Ａで示
した時間で隣接した４つのフォトダイオードの左上の画
素（図１参照）の信号の検出を行う。同様にして次の１
／４フレームで（図２中Ｂ）右上、同Ｃで左下、同Ｄで
右下の順に信号検出を行い、１フレームで全画素の信号
処理が終了する。
した時間で隣接した４つのフォトダイオードの左上の画
素（図１参照）の信号の検出を行う。同様にして次の１
／４フレームで（図２中Ｂ）右上、同Ｃで左下、同Ｄで
右下の順に信号検出を行い、１フレームで全画素の信号
処理が終了する。
【００１３】次にユニットセル（ｉ，ｋ）に注目して、
信号が出力されるまでの動作を説明する。各ユニットセ
ルではフォトダイオード選択用トランジスタ４により常
にいずれかのフォトダイオードが選択されており、フォ
トダイオードで発生した光電流はダイレクト・インジェ
クション・ゲート・トランジスタ５を介して電荷蓄積用
キャパシタ２に積分される。Ｘ−シフトレジスタ８で読
み出しトランジスタ７が選択され（図２中、ＸＳｉ）、
Ｙ−シフトレジスタ９（図２中、Ｙｋ）により信号読み
出しラインに転送され、バッファーアンプ１３を介して
出力される。
信号が出力されるまでの動作を説明する。各ユニットセ
ルではフォトダイオード選択用トランジスタ４により常
にいずれかのフォトダイオードが選択されており、フォ
トダイオードで発生した光電流はダイレクト・インジェ
クション・ゲート・トランジスタ５を介して電荷蓄積用
キャパシタ２に積分される。Ｘ−シフトレジスタ８で読
み出しトランジスタ７が選択され（図２中、ＸＳｉ）、
Ｙ−シフトレジスタ９（図２中、Ｙｋ）により信号読み
出しラインに転送され、バッファーアンプ１３を介して
出力される。
【００１４】本発明の電荷蓄積型二次元アレイ光検出器
用の信号読み出し回路によれば、隣接する４つのフォト
ダイオード（４画素分）の信号読み出しを一つのユニッ
トセルで行うことにより、従来型の４倍の積分容量が実
現できる。更に従来型に比べ、一画素当りで換算したト
ランジスタ数、及び配線数には表２に示したとおり半分
以下に、面積利用率（単位画素面積に対するキャパシタ
面積の割合）が向上する。その結果、従来と同じ試作プ
ロセスを用いて２．１５ｐＦの積分容量が実現できた。
これは従来型の４．３倍の積分容量にあたる。
用の信号読み出し回路によれば、隣接する４つのフォト
ダイオード（４画素分）の信号読み出しを一つのユニッ
トセルで行うことにより、従来型の４倍の積分容量が実
現できる。更に従来型に比べ、一画素当りで換算したト
ランジスタ数、及び配線数には表２に示したとおり半分
以下に、面積利用率（単位画素面積に対するキャパシタ
面積の割合）が向上する。その結果、従来と同じ試作プ
ロセスを用いて２．１５ｐＦの積分容量が実現できた。
これは従来型の４．３倍の積分容量にあたる。
【００１５】
【表２】
【００１６】受光波長帯域４．２〜４．８μｍ、背景温
度で３５０Ｋ、光学系のＦ値２．０、ボルテージスウィ
ング３Ｖ、積分容量０．５ｐＦの場合、積分時間２．０
７ｍｓで温度分解能２７．６ｍＫが得られた。従来型で
は同一背景輻射条件の温度分解能は最高４１．３ｍＫ
（積分容量の飽和限界）で、５０％程度の温度分解の改
善がみられた。またこの時の電荷蓄積量は飽和の５６％
程度で、背景輻射量が更に大きい条件では最高２１０％
程度の温度分解能の改善が期待できる。
度で３５０Ｋ、光学系のＦ値２．０、ボルテージスウィ
ング３Ｖ、積分容量０．５ｐＦの場合、積分時間２．０
７ｍｓで温度分解能２７．６ｍＫが得られた。従来型で
は同一背景輻射条件の温度分解能は最高４１．３ｍＫ
（積分容量の飽和限界）で、５０％程度の温度分解の改
善がみられた。またこの時の電荷蓄積量は飽和の５６％
程度で、背景輻射量が更に大きい条件では最高２１０％
程度の温度分解能の改善が期待できる。
【００１７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の電荷蓄積
型二次元アレイ光検出器用の信号読み出し回路では、Ｎ
個のフォトダイオードの信号の検出を一つのユニットセ
ルで行うことにより、ユニットセル面積が従来のＮ倍に
なる為、従来型のＮ倍以上の積分容量が実現できる。こ
の結果、温度分解能は最大でＮ1 / 2 倍向上する。この
他、読み出しトランジスタ数が従来型より少なくなる
為、ローバスの浮遊容量が低減し、容量分割にともなう
温度分解能の劣化がおさえられる効果も有する。
型二次元アレイ光検出器用の信号読み出し回路では、Ｎ
個のフォトダイオードの信号の検出を一つのユニットセ
ルで行うことにより、ユニットセル面積が従来のＮ倍に
なる為、従来型のＮ倍以上の積分容量が実現できる。こ
の結果、温度分解能は最大でＮ1 / 2 倍向上する。この
他、読み出しトランジスタ数が従来型より少なくなる
為、ローバスの浮遊容量が低減し、容量分割にともなう
温度分解能の劣化がおさえられる効果も有する。
【図１】本発明の電荷蓄積型二次元アレイ光検出器用の
信号読み出し回路の説明図である。
信号読み出し回路の説明図である。
【図２】本発明の電荷蓄積型二次元アレイ光検出器用の
信号読み出し回路のタイミングチャートである。
信号読み出し回路のタイミングチャートである。
【図３】従来型電荷蓄積型二次元アレイ光検出器用の信
号読み出し回路の説明図である。
号読み出し回路の説明図である。
１ ユニットセル ２ 電荷蓄積用キャパシタ ３ フォトダイオード ４ フォトダイオード選択用トランジスタ ５ ダイレクト・インジェクション・ゲート・トランジ
スタ ６ リセットトランジスタ ７ 読み出しトランジスタ ８ Ｘ−シフトトランジスタ ９ Ｙ−シフトトランジスタ １０ 画素選択シフトレジスタ １１ ローバス １２ 信号読み出しトランジスタ １３ バッファーアンプ
スタ ６ リセットトランジスタ ７ 読み出しトランジスタ ８ Ｘ−シフトトランジスタ ９ Ｙ−シフトトランジスタ １０ 画素選択シフトレジスタ １１ ローバス １２ 信号読み出しトランジスタ １３ バッファーアンプ
Claims (1)
- 【請求項１】 信号読み出し回路の二次元アレイ面内の
ユニットセルは、電荷蓄積用キャパシタ１個、フォトダ
イオード用コンタクト電極Ｎ個、フォトダイオード選択
用トランジスタＮ個、ダイレクト・インジェクション・
ゲート・トランジスタ１個、リセット・トランジスタ１
個、読み出しトランジスタ１個で構成され（ここでＮは
全画子数より小さい０，１以外の整数値）、 前記フォトダイオード選択用トランジスタのゲート制御
用シフトレジスタ、前記リセットトランジスタ、及び前
記読み出しトランジスタのゲートを制御するシフトトラ
ンジスタと、信号を読み出しラインに転送するためのシ
フトレジスタ、及び信号読み出しラインとバッファーア
ンプを具備する事を特徴とする電荷積分型二次元アレイ
光検出器用信号読み出し回路。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4145180A JP2959279B2 (ja) | 1992-06-05 | 1992-06-05 | 電荷積分型二次元アレイ光検出器用信号読み出し回路 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4145180A JP2959279B2 (ja) | 1992-06-05 | 1992-06-05 | 電荷積分型二次元アレイ光検出器用信号読み出し回路 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05340810A true JPH05340810A (ja) | 1993-12-24 |
| JP2959279B2 JP2959279B2 (ja) | 1999-10-06 |
Family
ID=15379282
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4145180A Expired - Lifetime JP2959279B2 (ja) | 1992-06-05 | 1992-06-05 | 電荷積分型二次元アレイ光検出器用信号読み出し回路 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2959279B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1353791A2 (en) * | 2000-11-27 | 2003-10-22 | Vision Sciences Inc. | Noise floor reduction in image sensors |
| US7336309B2 (en) | 2000-07-05 | 2008-02-26 | Vision-Sciences Inc. | Dynamic range compression method |
| WO2017002730A1 (ja) * | 2015-06-30 | 2017-01-05 | 浜松ホトニクス株式会社 | 固体撮像装置 |
| US9746558B2 (en) | 2010-12-20 | 2017-08-29 | Mattel, Inc. | Proximity sensor apparatus for a game device |
-
1992
- 1992-06-05 JP JP4145180A patent/JP2959279B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7336309B2 (en) | 2000-07-05 | 2008-02-26 | Vision-Sciences Inc. | Dynamic range compression method |
| EP1353791A2 (en) * | 2000-11-27 | 2003-10-22 | Vision Sciences Inc. | Noise floor reduction in image sensors |
| EP1353791A4 (en) * | 2000-11-27 | 2006-11-15 | Vision Sciences Inc | REDUCING THE PRONOUNCE OF IMAGE SENSORS |
| US9746558B2 (en) | 2010-12-20 | 2017-08-29 | Mattel, Inc. | Proximity sensor apparatus for a game device |
| WO2017002730A1 (ja) * | 2015-06-30 | 2017-01-05 | 浜松ホトニクス株式会社 | 固体撮像装置 |
| JP2017017457A (ja) * | 2015-06-30 | 2017-01-19 | 浜松ホトニクス株式会社 | 固体撮像装置 |
| US10212368B2 (en) | 2015-06-30 | 2019-02-19 | Hamamatsu Photonics K.K. | Solid-state imaging device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2959279B2 (ja) | 1999-10-06 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 19990629 |