JP3793033B2 - 赤外線センサ及びその駆動方法 - Google Patents
赤外線センサ及びその駆動方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3793033B2 JP3793033B2 JP2001095301A JP2001095301A JP3793033B2 JP 3793033 B2 JP3793033 B2 JP 3793033B2 JP 2001095301 A JP2001095301 A JP 2001095301A JP 2001095301 A JP2001095301 A JP 2001095301A JP 3793033 B2 JP3793033 B2 JP 3793033B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- period
- transistor
- row
- amplification
- voltage
- 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.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 34
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims description 209
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims description 209
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 132
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 65
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 57
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 57
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 57
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims description 50
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 35
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 34
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims description 31
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 17
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 12
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 7
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 27
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 20
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 17
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 17
- 230000008859 change Effects 0.000 description 14
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 13
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 11
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 9
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 6
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 5
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- 238000003708 edge detection Methods 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000005527 interface trap Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000000779 smoke Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000003949 trap density measurement Methods 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
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外線センサ及びその駆動方法に係わり、特に非冷却型の赤外線センサにおける信号読み出し回路の改良をはかった赤外線センサ及びその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
赤外線を利用した撮像装置は、昼夜に拘わらず撮像可能であると共に、可視光よりも煙や霧に対して透過性が高いという特長を有し、さらに被写体の温度情報をも得られるいう特長を有する。このため、防衛分野を初め監視カメラや火災検知カメラとして広い応用範囲を有する。
【０００３】
従来の主流素子である量子型赤外線固体撮像素子の最大の欠点は低温動作のための冷却機構を必要とすることであるが、近年このような冷却機構を必要としない非冷却型赤外線固体撮像素子の開発が盛んになってきている。非冷却型、即ち熱型の赤外線固体撮像素子においては、波長１０μｍ程度の入射赤外線を吸収構造により熱に変換した上で、この微弱な熱により生じる感熱部の温度変化を何らかの熱電変換手段により電気的信号に変換し、この電気的信号を読み出すことで赤外線画像情報を得ている。
【０００４】
非冷却型の赤外線固体撮像素子としては、一定の順方向電流により温度変化を電圧変化に変換するシリコンｐｎ接合をＳＯＩ領域に形成したものが報告されている（Tomohiro Ishikawa, et al.,Proc.SPIE Vol.3698, p.556,1999）。ＳＯＩ基板を用いたシリコンｐｎ接合型の素子は、シリコンＬＳＩ製造工程のみによる製造が可能であるという特長があり、従って量産性に優れた素子である。また、シリコンｐｎ接合型素子には、熱電変換手段であるｐｎ接合が整流特性を利用した画素選択機能を有していることから、画素の内部構造を単純化できるという特長もある。
【０００５】
ところで、非冷却型の赤外線固体撮像素子における画素部の温度変化は、赤外線吸収層の吸収率や光学系にもよるが、一般的には被写体の温度変化の５×１０-3倍程度であり、被写体温度が１［Ｋ］変化すれば画素温度は５［ｍＫ］変化する。シリコンｐｎ接合を８個直列接続した場合の、熱電変換効率は１０［ｍＶ／Ｋ］程度であるので、被写体温度が１［Ｋ］変化した場合には画素部に５０［μＶ］の信号電圧が発生する。実際には、被写体の温度変化として０．１［Ｋ］程度を識別することが要求されることが多いので、その場合に発生する５［μＶ］程度の信号電圧を読み出すことが必要となる。
【０００６】
このような非常に微弱な信号電圧を読み出す方法として、画素部で発生した信号電圧を増幅トランジスタのゲート電圧として電流増幅し、増幅された信号電流を蓄積容量で時間積分するという回路構成が知られている。この回路構成は、ゲート変調積分回路と呼ばれる回路であり、この回路構成を各列毎に配置して１行分の電流増幅を並列処理することで、信号帯域を制限しランダム雑音を低減できるという効果がある。
【０００７】
ゲート変調積分回路における電圧ゲインＧは、増幅トランジスタの相互コンダクタンスｇｍ（＝δＩｄ／δＶｇ）、積分時間ｔｉ、そして蓄積容量Ｃｉにより決まり、
Ｇ＝（ｔｉ×ｇｍ）／Ｃｉ …（１）
で表現される。積分時間ｔｉ及び蓄積容量Ｃｉが与えられたとき、上記のゲインは増幅トランジスタの相互コンダクタンスｇｍにより支配され、ｎ型のＭＯＳトランジスタが飽和領域で動作する場合のｇｍは、下記の（２）式により近似表現される。
【０００８】
ｇｍ＝（Ｗ／Ｌ）・（εox／Ｔox）・μｎ・（Ｖgs−Ｖth）…（２）
但し、Ｗ：チャネル幅、Ｌ：チャネル長、εox：ゲート酸化膜の誘電率、Ｔox：ゲート酸化膜厚、μｎ：電子移動度、Ｖgs：ゲート・ソース間電圧、Ｖth：トランジスタの閾値電圧、である。
【０００９】
既に述べたように、被写体の温度差として０．１［Ｋ］程度を認識することが要求されるので、そのときに画素出力部に発生する５［μＶ］程度の信号を読み出すことが必要となる。この信号電圧レベルは、可視光を撮像するセンサであるＣＭＯＳセンサと比較して、非常に低い電圧である。例えば、文献（「高感度ＣＭＯＳイメージセンサ」、映像情報メディア学会誌Vo1.54,No.2,p.216,2000）によれば、雑音電圧は約０．４［ｍＶ］＝４００［μＶ］であり、これと比較すれば、上記の赤外線センサの雑音レベルはＣＭＯＳセンサの約１／８０という低電圧であり、取り扱う信号電圧も同じく約１／８０という低電圧になる。従って、センサ出力を一般的な撮像素子であるＣＭＯＳセンサと同様の回路によって処理することを考えれば、約８０倍のゲインを実現することが望ましい。
【００１０】
ところが、ゲート変調積分回路における増幅トランジスタのゲートには、５［μＶ］程度の画素出力よりも大きい揺らぎ成分が存在しており、実際にはゲインを低く設計している。この揺らぎ成分は、ＭＯＳ増幅トランジスタの閾値の揺らぎと、定電流源として使用する負荷ＭＯＳトランジスタの閾値揺らぎに起因したものであり、いずれも一般的には約３０［ｍＶ］程度の揺らぎが発生することが知られている。
【００１１】
この閾値揺らぎ成分は、増幅トランジスタのゲート電圧として与えられる画素出力信号と同様に、増幅読み出し回路により増幅されるので、ゲインを約８０倍に設計した場合には、蓄積容量に２．４［Ｖ］もの揺らぎが発生することになってしまう。勿論、この閾値揺らぎは、各々の増幅ＭＯＳトランジスタ及び各々の負荷ＭＯＳトランジスタに固有の揺らぎであり、画像上は固定パターンとして発生するので、外部回路による補正を行うことが可能である。しかし、このような補正を行うと、蓄積容量の電圧スイングの大部分を閾値揺らぎ対策として消費してしまうと同時に、外部回路に要求されるダイナミックレンジが拡大してしまうことになる。
【００１２】
従って、これまでは増幅読み出し回路のゲインを犠牲にして、外部回路での処理への負荷を低減せざるを得なかった。また、ゲインを十分に大きくできないために、増幅読み出し回路における電流ショット雑音や１／ｆ雑音等のランダム雑音の影響を十分に低減できなかった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来、非冷却型赤外線センサにおいては、画素出力部に発生する信号電圧レベルが低いため、増幅トランジスタを用いて十分に増幅する必要があるが、増幅トランジスタのゲートには揺らぎ成分が存在しており、増幅ゲインを上げた場合には蓄積容量に現れる揺らぎも大きくなる。このため、ゲインを犠牲にして、外部回路での処理への負荷を低減せざるを得なかった。そして、ゲインを十分に大きくできないために、増幅読み出し回路における電流ショット雑音や１／ｆ雑音等のランダム雑音の影響を十分に低減できないという問題があった。
【００１４】
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、増幅トランジスタのゲートに現れる揺らぎの影響を低減することができ、低雑音・高感度・ワイドダイナミックレンジの非冷却型赤外線センサ及びその駆動方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
（構成）
上記課題を解決するために本発明は次のような構成を採用している。
【００１６】
即ち本発明は、赤外線センサにおいて、半導体基板上に入射赤外線を検出する赤外線検出画素が二次元的に配列された撮像領域と、この撮像領域内に行方向に配置された複数の行選択線と、前記撮像領域内に列方向に配置された複数の信号線と、これらの信号線に発生した信号電圧によりそれぞれ変調される複数の増幅トランジスタと、これらの増幅トランジスタのドレインにそれぞれ接続され該トランジスタからの信号電荷を蓄積する複数の蓄積容量と、前記各増幅トランジスタのドレイン電位をそれぞれリセットする複数のリセット手段と、前記各蓄積容量に保持された信号電荷をそれぞれ読み出す複数の読み出し手段と、前記各信号線と前記増幅トランジスタのゲートとの間にそれぞれ設けられた複数の結合容量と、前記各増幅トランジスタのドレインとゲートとの間にそれぞれ設けられた複数のサンプリングトランジスタとを具備してなることを特徴とする。
【００１７】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては次のものがあげられる。
【００１８】
(1) 赤外線検出画素は、半導体基板上に入射赤外線を吸収し熱に変換するための赤外線吸収手段と、赤外線吸収手段で発生した熱による温度変化を電気信号に変換するための熱電変換手段と、熱電変換手段からの画素出力信号を読み出す画素を選択する画素選択手段と、画素選択手段により選択された赤外線検出画素からの画素出力信号を出力するための出力手段とから構成される。
【００１９】
(2) 半導体基板は、単結晶シリコン支持基板上に酸化シリコン層を介してＳＯＩ単結晶シリコン層を積層形成してなるＳＯＩ基板であり、熱電変換手段は、第１導電型のＳＯＩ単結晶シリコン層内部に第２導電型領域を設けることで形成された単結晶シリコンｐｎ接合であり、ＳＯＩ基板内部に形成された中空構造上に中空支持されている。
【００２０】
(3) 撮像領域には、入射赤外線によって画素出力信号が変化せず、入射赤外線に対して感度を有さない無感度画素が行方向に配列された無感度画素列が、少なくとも１行配置されている。
【００２１】
(4) 無感度画素は、熱電変換手段が半導体基板と熱分離されないことにより無感度化されている。
【００２２】
(5) 読み出し手段から時系列で得られる第１の行出力情報群を保持する記憶保持手段と、記憶保持手段に保持された第１の行出力情報群に基づき、第１の出力情報群を得た行とは異なる行を選択した結果として得られる第２の行出力情報群を補正する補正手段とを備えている。
【００２３】
また本発明は、上記構成の赤外線センサを駆動するための駆動方法において、１フレーム期間内で前記行選択線により前記赤外線検出画素を選択していない非選択期間においては、該非選択期間中の第１の期間において、前記リセット手段をオフすることで前記増幅トランジスタのドレイン電位をリセットされていない状態とし、前記サンプルトランジスタをオンすることで該トランジスタのドレインとゲートを接続して同一電位とし、前記非選択期間内の第１の期間を除いた第２の期間において、前記サンプルトランジスタをオフすることで該トランジスタのドレインとゲートを分離し、前記増幅トランジスタのゲートには第１の期間における該トランジスタのドレイン電位を保持し、１フレーム期間内で前記赤外線検出画素を前記行選択線により選択している選択期間、及び前記読み出し手段により信号電圧を読み出す期間においては、前記サンプルトランジスタをオフ状態に保持することを特徴とする。
【００２４】
さらに別の駆動方法として、１フレーム期間内で前記行選択線により赤外線検出画素を選択していない非選択期間においては、該非選択期間内の第１の期間において、前記リセット手段をオフすることで前記増幅トランジスタのドレイン電位をリセットされていない状態とし、前記サンプルトランジスタをオンすることで前記増幅トランジスタのドレインとゲートを接続して同一電位とし、前記増幅トランジスタのソースに第１のソース電圧を印加し、非選択期間内の第１の期間を除いた第２の期間において、前記サンプルトランジスタをオフすることで前記増幅トランジスタのドレインとゲートを分離し、前記増幅トランジスタのゲートには第１の期間における該トランジスタのドレイン電圧を保持し、１フレーム期間内で前記行選択線により前記赤外線検出画素を選択している行選択期間においては、前記サンプルトランジスタほオフ状態に保持した上で、前記増幅トランジスタのソースに第１のソース電圧と異なる第２のソース電圧を印加し、１フレーム期間内で前記読み出し手段により信号電圧を読み出す期間においては、前記サンプルトランジスタをオフ状態に保持した上で、前記増幅トランジスタのソースに第１のソース電圧を印加することを特徴とする。
【００２５】
また本発明は、赤外線センサにおいて、半導体基板上に入射赤外線を検出する赤外線検出画素が二次元的に配列され、かつ赤外線感度を有さない無感度画素行が少なくとも１行含まれた撮像領域と、この撮像領域内に行方向に配置された複数の行選択線と、前記撮像領域内に列方向に配置された複数の信号線と、これらの信号線に発生した信号電圧によりそれぞれ変調される複数の増幅トランジスタと、これらの増幅トランジスタのドレインにそれぞれ接続され該トランジスタからの信号電荷を蓄積する複数の蓄積容量と、前記各増幅トランジスタのドレイン電位をそれぞれリセットする複数のリセット手段と、前記各蓄積容量に保持された信号電荷をそれぞれ読み出す複数の読み出し手段と、前記各信号線と該信号線に対応する前記増幅トランジスタのゲートとの間にそれぞれ設けられた複数の結合容量と、前記各増幅トランジスタのドレインとゲートとの間にそれぞれ設けられた複数のサンプリングトランジスタとを具備してなることを特徴とする。
【００２６】
また本発明は、上記構成の赤外線センサを駆動するための駆動方法において、１フレーム期間内で前記行選択線により前記無感度画素行を選択している第１の選択期間においては、該第１の選択期間内の第１の期間において、前記リセット手段をオフすることで前記増幅トランジスタのドレイン電位をリセットされていない状態とし、前記サンプルトランジスタをオンすることで前記増幅トランジスタのドレインとゲートを接続して同一電位とし、前記増幅トランジスタのソースに第１のソース電圧を印加し、第１の選択期間内の第１の期間を除いた第２の期間において、前記サンプルトランジスタをオフすることで前記増幅トランジスタのドレインとゲートを分離し、前記増幅トランジスタのゲートには第１の期間における該トランジスタのドレイン電位を保持し、１フレーム期間内で前記行選択線により前記有感度画素行を選択している第２の選択期間においては、前記サンプルトランジスタをオフ状態に保持した上で、前記増幅トランジスタのソースに第１のソース電圧とは異なる第２のソース電圧を印加し、１フレーム期間内で前記行選択線により前記前記読み出し手段により信号電圧を読み出す期間においては、前記サンプルトランジスタをオフ状態に保持した上で、前記増幅トランジスタのソースに第１のソース電圧を印加することを特徴とする。
【００２７】
さらに、別の駆動方法として、
１フレーム期間内で前記行選択線により前記無感度画素行を選択している第１の選択期間においては、該第１の選択期間内の第１の期間において、前記リセット手段をオフすることで前記増幅トランジスタのドレイン電位をリセットされていない状態とし、前記サンプルトランジスタをオンすることで前記増幅トランジスタのドレインとゲートを接続して同一電位とし、前記増幅トランジスタのソースに第１のソース電圧を印加し、第１の選択期間内の第１の期間を除いた第２の期間において、前記サンプルトランジスタをオフすることで前記増幅トランジスタのドレインとゲートを分離し、前記増幅トランジスタのゲートには第１の期間における該トランジスタのドレイン電位を保持し、第１の選択期間内の第１の期間及び第２の期間を除いた第３の期間においては、前記増幅トランジスタのソースに第１のソース電圧を印加し、１フレーム内で前記行選択線により前記赤外線検出画素を選択している行選択期間においては、前記サンプルトランジスタをオフ状態に保持した上で、前記増幅トランジスタのソースに第１のソース電圧と異なる第２のソース電圧を印加し、１フレーム内で前記読み出し手段により信号電圧を読み出す期間においては、前記サンプルトランジスタをオフ状態に保持した上で、前記増幅トランジスタのソースに第１のソース電圧を印加することを特徴とする。
【００２８】
また本発明は、赤外線センサにおいて、半導体基板上に入射赤外線を検出する赤外線検出画素が二次元的に配列され、かつ赤外線感度を有さない無感度画素行が少なくとも１行含まれた撮像領域と、この撮像領域内に行方向に配置された複数の行選択線と、前記撮像領域内に列方向に配置された複数の信号線と、これらの信号線に発生した信号電圧によりそれぞれ変調される複数の増幅トランジスタと、これらの増幅トランジスタのドレインにそれぞれ接続され該トランジスタからの信号電荷を蓄積する複数の蓄積容量と、前記各増幅トランジスタのドレイン電位をそれぞれリセットする複数のリセット手段と、前記各蓄積容量に保持された信号電荷をそれぞれ読み出す複数の読み出し手段と、前記各信号線と該信号線に対応する前記増幅トランジスタのゲートとの間にそれぞれ設けられた複数の結合容量と、前記増幅トランジスタのドレインとゲートとの間にそれぞれ設けられた複数のサンプリングトランジスタと、前記読み出し手段から時系列で得られる第１の行出力情報群を保持する記憶保持手段と、該記憶保持手段に保持された第１の行出力情報群に基づき、第１の行出力情報群を得た行とは異なる行を選択した結果として得られる第２の行出力情報群を補正する補正手段とを具備してなることを特徴とする。
【００２９】
また本発明は、赤外線センサにおいて、半導体基板上に入射赤外線を検出する赤外線検出画素が二次元的に配列され、かつ赤外線感度を有さない無感度画素行が少なくとも２行含まれた撮像領域と、この撮像領域内に行方向に配置された複数の行選択線と、前記撮像領域内に列方向に配置された複数の信号線と、これらの信号線に発生した信号電圧によりそれぞれ変調される複数の増幅トランジスタと、これらの増幅トランジスタのドレインにそれぞれ接続され該トランジスタからの信号電荷を蓄積する複数の蓄積容量と、前記各増幅トランジスタのドレイン電圧をそれぞれリセットする複数のリセット手段と、前記各蓄積容量に保持された信号電荷をそれぞれ読み出す複数の読み出し手段と、前記各信号線と該信号線に対応する前記増幅トランジスタのゲートとの間にそれぞれ設けられた複数の結合容量と、前記増幅トランジスタのドレインとゲートとの間にそれぞれ設けられた複数のサンプリングトランジスタとを具備してなることを特徴とする。
【００３０】
また本発明は、上記構成の赤外線センサを駆動するための駆動方法において、１フレーム期間内で前記行選択線により第１の無感度画素行を選択している第１の選択期間においては、該第１の選択期間内の第１の期間において、前記リセット手段をオフすることで前記増幅トランジスタのドレイン電位をリセットされていない状態とし、前記サンプルトランジスタをオンすることで前記増幅トランジスタのドレインとゲートを接続して同一電位とし、前記増幅トランジスタのソースに第１のソース電圧を印加し、第１の選択期間内の第１の期間を除いた第２の期間において、前記サンプルトランジスタをオフすることで前記増幅トランジスタのドレインとゲートを分離し、前記増幅トランジスタゲートには第１の期間における該トランジスタのドレイン電位を保持し、１フレーム期間内で前記行選択線により第１の無感度画素行と異なる第２の無感度画素行を選択している第２の選択期間、及び前記行選択線により有感度画素行を選択している第３の選択期間においては、前記サンプルトランジスタをオフ状態に保持した上で、前記増幅トランジスタのソースに第１のソース電圧と異なる第２のソース電圧を印加し、１フレーム期間内で前記読み出し手段により信号電圧を読み出す期間においては、前記サンプルトランジスタをオフ状態に保持した上で、前記増幅トランジスタのソースに第１のソース電圧を印加することを特徴とする。
【００３１】
また本発明は、赤外線センサにおいて、半導体基板上に入射赤外線を検出する赤外線検出画素が二次元的に配列され、かつ赤外線感度を有する有感度画素行の複数行と共に赤外線感度を有さない無感度画素行が少なくとも１行含まれた撮像領域と、この撮像領域内に行方向に配置された複数の行選択線と、前記撮像領域内に列方向に配置された複数の信号線と、これらの信号線の各々と第１結合容量を介してそれぞれ接続される複数の増幅トランジスタと、これらの増幅トランジスタのドレインとゲートとの間にそれぞれ設けられた複数のサンプリングトランジスタと、前記各増幅トランジスタのドレインと第２結合容量を介してそれぞれ接続された複数の第１の蓄積容量と、前記各増幅トランジスタのドレイン電位をそれぞれリセットする複数のリセット手段と、前記各第１の蓄積容量の電圧をそれぞれクランプする複数の第１のクランプ手段と、前記各第１の蓄積容量に保持された信号電荷をそれぞれ読み出すための複数の読み出し手段とを具備してなることを特徴とする。
【００３２】
ここで、前記各第１の蓄積容量と転送トランジスタを介してそれぞれ接続された複数の第２の蓄積容量と、前記各第２の蓄積容量の電圧をそれぞれリセットする複数の第２のリセット手段とを備え、前記各第２の蓄積容量に転送された信号電荷がそれぞれ前記複数の読み出し手段により読み出されることが望ましい。
【００３３】
また本発明は、上記構成の赤外線センサを駆動するための駆動方法において、前記赤外線検出画素の検出信号を行単位に読み出す期間を水平走査期間とし、毎回の水平走査期間の水平ブランキング期間中に、前記リセット手段をオフした状態で前記サンプリングトランジスタをオンすることで前記増幅トランジスタの閾値情報サンプリング動作を行い、次に前記行選択線により選択された前記無感度画素行の増幅読み出し動作を行い、次に前記行選択線により選択された有感度画素行の増幅読み出し動作を行い、前記無感度画素行の読み出し期間においては前記クランプ手段により前記蓄積容量の電圧を所定の電圧にクランプし、前記有感度画素行の増幅読み出し期間においては前記クランプ手段をオフ状態に保持し、該有感度画素行の増幅読み出し期間の終了時点においては前記蓄積容量に前記無感度画素出力と前記有感度画素出力との差分出力を蓄積し、該差分出力を前記読み出し手段を介して順次読み出し、かつ１フレーム内の各走査期間毎に有感度画素行を異ならせることを特徴とする。
【００３４】
また本発明は、赤外線センサにおいて、半導体基板上に入射赤外線を検出する赤外線検出画素が二次元的に配列され、かつ赤外線感度を有する有感度画素行の複数行と共に赤外線感度を有さない無感度画素行が少なくとも１行含まれた撮像領域と、この撮像領域内に行方向に配置された複数の行選択線と、前記撮像領域内に列方向に配置された複数の信号線と、これらの信号線の各々と第１結合容量を介してそれぞれ接続された複数の増幅トランジスタと、これらの増幅トランジスタのドレインとゲートとの間にそれぞれ設けられた複数の第１サンプリングトランジスタと、前記各増幅トランジスタのドレインと第２結合容量を介してそれぞれ接続された複数の第１蓄積容量と、前記各増幅トランジスタのドレイン電位をそれぞれリセットする複数のリセット手段と、第１蓄積容量の電圧をそれぞれクランプする複数のクランプ手段と、第１蓄積容量と第２サンプリングトランジスタを介してそれぞれ接続された複数の第２蓄積容量と、第２蓄積容量に保持された各々の信号電圧を読み出すための複数の水平選択読み出し手段とを具備してなることを特徴とする。
【００３５】
また本発明は、上記構成の赤外線センサを駆動するための駆動方法において、前記赤外線検出画素の検出信号を行単位に読み出す期間を水平走査期間とし、第１水平走査期間中に、前記リセット手段をオフした状態で前記サンプリングトランジスタをオンすることで前記増幅トランジスタの閾値情報サンプリング動作を行い、次に前記行選択線により選択された無感度画素行の増幅読み出し動作を行い、次に前記行選択線により選択された有感度画素行の増幅読み出し動作を行い、前記無感度画素行の増幅読み出し期間においては、前記クランプ手段により第１蓄積容量の電圧を所定の電圧にクランプし、前記有感度画素行の増幅読み出し期間においては、前記クランプ手段をオフ状態に保持し、該有感度画素行の増幅読み出し期間の終了時点においては第１蓄積容量に無感度画素行の出力と有感度画素行の出力の差分出力を蓄積し、次に第２サンプリングトランジスタをオンすることで、第１蓄積容量に蓄積された差分出力を第２蓄積容量に転送し、第１水平走査期間の終了後、第１水平走査期間に続く第２水平走査期間において、前記読み出し手段を介して順次読み出されるまで信号電荷を保持し、該第２水平走査期間においては、第２サンプリングトランジスタをオフした状態で第１水平走査期間と同じ動作を繰り返し実行することを特徴とする。
【００３６】
（作用）
本発明によれば、列毎に異なる増幅トランジスタの閾値がばらつくことによって発生する、列毎の電圧ゲインのばらつきを無くすために、画素出力が発生する信号線と増幅トランジスタのゲートとの間に結合容量を設けてＤＣ的に分離し、さらにフレーム毎に列毎の増幅トランジスタの閾値情報を増幅トランジスタのゲートに与えているので、列毎の閾値ばらつきの影響は無くなり、この閾値ばらつきに起因する蓄積容量の電圧スイングを確保するために必要な蓄積容量の動作電圧領域のマージン設定が不要となる。このため、ゲート変調積分回路のゲインを大きく設計することが可能となり、高感度な非冷却型赤外線センサを得ることができる。また、同じ理由で、蓄積容量電位をフルに利用できるようになり、広ダイナミックレンジな非冷却型赤外線センサを得ることができる。
【００３７】
また本発明によれば、負荷ＭＯＳトランジスタの閾値の情報を含んだ無感度画素選択時の無感度画素電圧が信号線に発生しているタイミングで、列毎の増幅ＭＯＳトランジスタの閾値情報と同時に、列毎の負荷ＭＯＳトランジスタの閾値情報サンプリングを行うことにより、増幅トランジスタの閾値のばらつきを補正すると同時に動作点ばらつきを補正しているので、列毎の負荷ＭＯＳトランジスタの閾値ばらつきの影響を無くすことができ、蓄積容量の電圧スイングを確保するために必要な蓄積容量の動作電圧領域のマージン設定が不要となる。このため、ゲート変調積分回路のゲインを大きく設計することが可能となり、高感度な非冷却型赤外線センサを得ることができる。また、同じ理由で、蓄積容量電位をフルに利用できるようになり、広ダイナミックレンジな非冷却型赤外線センサを得ることができる。
【００３８】
さらに本発明によれば、リセット雑音を含む無感度画素行の１行分の無感度画素出力情報群を１フレーム期間保持する手段を有しているので、結合容量のリセット雑音がフレーム内で一定であるということから、同一フレーム内でのリセット雑音成分除去が可能であり、結合容量に起因するランダム雑音の影響なく、高感度化することが可能である。ここで、読み出し手段から時系列で得られる第１の行出力情報群を保持する記憶保持手段と、保持された第１の行出力情報群に基づいて第２の行出力情報群を補正する補正手段を設けることにより、リセット雑音成分の除去をより有効に行うことができる。
【００３９】
また本発明によれば、増幅トランジスタの閾値情報のサンプリングは、水平走査期間毎に行うので、上記閾値情報は水平走査期間に相当する期間に保持されればよい。従って、上記の保持電圧に対して上記結合容量及び結合容量に接続されているトランジスタ等のリーク電流が影響する時間は、フレーム期間から水平走査期間に大幅に短縮される。よって、製造プロセスの変動等により上記リーク電流が設計値より増加しても、その影響によって垂直シェーディング等の特性不良が発生する可能性が大幅に低下するので、安定に製造可能となり、従って高い製造歩留まりを得ることができる。
【００４０】
さらに本発明によれば、毎水平走査期間内に、増幅トランジスタの閾値情報サンプリング動作と、無感度画素出力信号の増幅読み出し動作と、選択画素出力信号の増幅読み出し動作と、無感度画素出力信号と選択画素出力信号との差分処理動作を行うことが可能である。従って、増幅トランジスタの閾値情報サンプリング動作に伴って結合容量に発生するランダム雑音であるリセット雑音成分は、上記の差分処理において除去されることになり、外部回路或いはオンチップ回路において、上記のランダム雑音情報をフレーム期間保持する記憶保持回路、及びこの記憶保持回路に保持されたランダム雑音情報に基づいて出力信号を補正する補正回路は不要となり、素子構造及び素子駆動を大幅に簡略化することができる。
【００４１】
また本発明によれば、水平走査期間内に無感度画素出力信号と選択画素出力信号との差分処理動作を行うことができるので、信号帯域の低周波側に帯域制限がかかる。従って、低周波数側で高雑音となる増幅トランジスタの１／ｆ雑音や、信号線に接続される定電流源として用いられる負荷ＭＯＳトランジスタの１／ｆ雑音を大幅に低減可能となる。さらに、差分処理動作回路と水平読み出し回路との間に１水平走査期間の記憶保持回路を設けることで、水平走査期間の大部分を占める水平有効期間に撮像信号の増幅読み出しを行うことが可能となる。このため、信号周波数帯域の高周波数側について帯域制限をかけることになり、さらに低雑音化できる。また、このような構造と駆動によって、センサチップ内の単体素子のリーク電流や、ＭＯＳ界面トラップ密度に対する仕様を大幅に緩和できることになるので、製造工程のばらつきによらず安定に製造が可能である。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【００４３】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる赤外線センサの全体構成を示す回路図である。図では、説明を簡単にするために２行２列の２×２画素構成を示しているが、より多数行，多数列のｍ×ｎ画素構成に適用できるのは勿論のことである。
【００４４】
入射赤外線を電気信号に変換する赤外線検出画素１が半導体基板上に２次元的に配置されて撮像領域３を構成している。撮像領域３の内部には、複数本の行選択線４（４−１，４−２）と複数本の垂直信号線５（５−１，５−２）が配置されている。
【００４５】
画素選択のために、行選択回路４０と水平アドレス回路６が撮像領域３の行方向と列方向に各々隣接配置され、行選択回路４０には行選択線４が接続され、水平アドレス回路６には水平選択線７（７−１，７−２）が接続されている。画素出力電圧を得るための低電流源として、各列の垂直信号線５には負荷ＭＯＳトランジスタ８（８−１，８−２）が接続されている。負荷ＭＯＳトランジスタ８のソースには基板電圧Ｖｓが印加されている。
【００４６】
行選択回路４０により選択された行選択線４には電源電圧Ｖｄが印加され、行選択回路４０により選択されない行選択線にはＶｓが印加される。その結果、選択された行の赤外線検出画素１内部のｐｎ接合が順バイアスとなりバイアス電流が流れ、画素内部のｐｎ接合の温度と順バイアス電流とにより動作点が決まり、各列の垂直信号線５に画素信号出力電圧が発生する。このとき、行選択回路４０によって選択されない画素１のｐｎ接合は逆バイアスとなる。即ち、画素内部のｐｎ接合は画素選択の機能を持っている。
【００４７】
垂直信号線５に発生する電圧は、極めて低電圧であり、被写体の温度変化ｄＴｓと画素温度変化ｄＴｄとの比として５×１０-3を仮定し、この値と画素のｐｎ接合が８個のｐｎ接合を直列接続した場合の熱電変換感度ｄＶ／ｄＴｄ＝１０［ｍＶ／Ｋ］とにより、ｄＴｓ＝０．１［Ｋ］のときには僅かに５［μＶ］であることが分かる。従って、この被写体温度差を認識するためには、垂直信号線５に発生する雑音を５［μＶ］以下にすることが必要になる。この雑音の値は、ＭＯＳ型の可視光イメージセンサであるＣＭＯＳセンサの雑音の約１／８０と、非常に低い。
【００４８】
この低電圧の信号電圧を増幅するために、列毎に増幅読み出し回路９が配置されており、各列の増幅トランジスタ１０のゲートと各列の垂直信号線５とは、結合容量１１により容量結合している。この結合容量１１により、垂直信号線５と増幅読み出し回路９とはＤＣ的に分離される。
【００４９】
増幅トランジスタ１０のドレイン側には、電流増幅した信号電流を積分し蓄積するための蓄積容量１２が接続されている。信号電流を積分する蓄積時間は、行選択回路４０により行選択線４に印加される行選択パルスにより決定される。蓄積容量１２には、該蓄積容量１２の電圧をリセットするためのリセットトランジスタ１３が接続され、水平選択トランジスタ１４による信号電圧の読み出しが完了した後にリセット動作を行うようになっている。
【００５０】
増幅トランジスタ１０のドレインは、サンプルトランジスタ１５を介して増幅トランジスタ１０のゲートに接続されており、サンプルトランジスタ１５をオンすることにより、増幅トランジスタ１０のゲートとドレインが同電位となる。
【００５１】
図２は、本実施形態の赤外線センサにおける赤外線検出画素の断面構造（ａ）と平面構造（ｂ）とを説明するための概略構成図である。熱電変換のためのｐｎ接合を含むセンサ部１６は、単結晶シリコン支持基板１７の内部に形成された中空構造１８の上に形成された、赤外線吸収層２２と、熱電変換のために形成されたＳＯＩ層１９内部のｐｎ接合と、このＳＯＩ層１９を支持している埋め込みシリコン酸化膜層２０とから成る。また、このセンサ部１６を中空構造１８上に支持すると共にセンサ部１６からの電気信号を出力するために支持部２１が設けられ、センサ部１６と垂直信号線５及び行選択線４とを接続する接続部（不図示）が設けられている。
【００５２】
このように、センサ部１６及び支持部２１が中空構造１８上に設けられることにより、入射赤外線によるセンサ部１６の温度の変調を効率良く行う構造になっている。なお、図２では、ｐｎ接合が２個直列接続される場合の構造を示している。
【００５３】
図３は、本実施形態の動作を説明するためのタイミングチャートであり、図１に示した２行２列からなる４画素の場合の駆動タイミングチャートである。タイミングチャートに記さない負荷ＭＯＳトランジスタ８のソース電位と増幅トランジスタ１０のソース電位は何れも基板電位を与えており、リセットトランジスタ１３のドレイン電圧には電源電圧を与えている。
【００５４】
行選択１行目の行選択線４−１が選択される期間１０１の前に、行選択回路４０が行選択を行わない非選択期間１００があり、ここで増幅トランジスタ１０の閾値情報を取得し保存する動作を行う。この非選択期間１００においては、垂直信号線５の電圧は負荷ＭＯＳトランジスタ８のソース電圧と等しくなるので基板電位になる。
【００５５】
まず、リセットトランジスタ１３をオンして蓄積容量１２の電圧Ｖc1，Ｖc2をリセットする。次に、非選択期間１００においてサンプルトランジスタ（ＳＭＰ）１５をオンして、増幅トランジスタ１０のゲートに電源電圧にリセットされた増幅トランジスタ１０のドレイン電圧を与える。そのため、増幅トランジスタ１０はオンされドレイン電流が流れる。このドレイン電流によりドレイン電圧Ｖｃは低下して増幅トランジスタ１０のコンダクタンス低下させ、ドレイン電流が流れない状態のゲート電圧がドレイン電圧Ｖｃに取得される。この電圧が各列毎の増幅トランジスタ１０の閾値電圧である。
【００５６】
増幅トランジスタ１０の閾値情報がドレイン電圧Ｖｃに読み出された後にサンプルトランジスタ１５をオフすることで、閾値情報は結合容量１１に保持されることになる。この閾値情報の読み出しは、フレーム期間内に一度行うものであるので、第１行の行選択に先立ち行い、第２行目以降の行選択前には行わず、以降は第１行選択前に保持された閾値情報をそのまま使用する。次に、第１行の選択に先立ちリセットトランジスタ１３をオンして閾値電圧が読み出されたドレイン電圧Ｖｃをリセットする。
【００５７】
第１行の選択期間１０１においては、第１行選択線４−１に行選択パルスＶ１が印加され、負荷ＭＯＳトランジスタ８〜垂直信号線５〜第１行の画素１〜第１行選択線４−１〜行選択回路４０の電流パスを、負荷ＭＯＳトランジスタ８により決定されるバイアス電流が流れる。このバイアス電流と画素１の熱電変換手段であるｐｎ接合の温度とにより画素１の動作点が決まり、画素１の温度により変化する画素出力電圧が各列の垂直信号線５に発生する。そして、垂直信号線５の電圧が基板電圧から画素出力電圧に変化する。
【００５８】
この垂直信号線５の電圧変化は、結合容量１１によるカップリングで増幅トランジスタ１０のゲート電圧を変化させる。従って、増幅トランジスタ１０のゲート電圧は、非選択期間１００において保持された増幅トランジスタ１０の閾値情報に画素出力電圧変化情報が加わったものとなる。その結果、増幅トランジスタ１０がオンされ垂直信号線電圧に応じたドレイン電流が流れ、蓄積容量１２で第１行選択期間１０１の期間、電流が積分されドレイン電圧Ｖｃが変化する。このとき、増幅トランジスタ１０のドレイン電流を支配するゲート電圧は、保持された閾値電圧からのシフト量により決定されるので、列毎にばらつく閾値の影響を受けない。
【００５９】
選択期間１０１に続く水平読み出し期間１０２に、水平選択回路６により水平読み出しトランジスタ１４が順次選択されドレイン電圧Ｖc1，Ｖc2が時系列で出力線２４に読み出される。第２行以降の動作は、サンプルトランジスタ１５の動作がないこと以外は、第１行での動作と同様であり、行選択期間のドレイン電流を積分し、順次読み出す。
【００６０】
本実施形態によれば、各列毎に異なる増幅トランジスタ１０の閾値情報は、非選択期間１００における閾値読み出し動作により増幅トランジスタ１０のゲートに接続される結合容量１１に保持されているので、画素選択期間１０１に行われる電流積分動作においては増幅トランジスタ１０の閾値のばらつきの影響がなくなり、垂直信号線５に発生する画素出力電圧のみでドレイン電流が決定される。
【００６１】
従って、ドレイン電流積分による増幅読み出し回路９の動作において、垂直信号線５に発生するμＶオーダーの画素信号電圧よりも、遙かに高レベルである３０ｍＶ程度の閾値ばらつきによる蓄積容量１２の飽和を防止するためのマージンを設計することが不要となる。その結果として、高い電圧ゲインを得ることが可能となり、増幅読み出し回路９以降における雑音の影響を大幅に低減できるので、低雑音，高感度，ワイドダイナミックレンジの赤外線センサを得ることができる。
【００６２】
本実施形態における、増幅読み出し回路９の動作は、負荷ＭＯＳトランジスタ８のソース電圧、行選択回路４０の選択パルス電圧、増幅トランジスタ１０のソース電圧、リセットトランジスタ１３のドレイン電圧により、ゲインや飽和等の動作を最適化することが可能である。
【００６３】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係わる赤外線センサの駆動方法を説明するためのタイミングチャートである。
【００６４】
本実施形態におけるセンサ構成は第１の実施形態で用いた図１、２と同一であり、タイミングチャートも第１の実施形態における図３とほぼ同一であるが、本実施形態におけるタイミングチャート（図４）においては増幅トランジスタ１０のソース電圧ＳＳをパルス駆動している。即ち、非選択期間１００における増幅トランジスタ１０の閾値情報取得動作時に、トランジスタ１０のソースＳＳにパルス電圧を印加している。
【００６５】
このような駆動によれば、画素選択時の画素１を含むバイアス電流が流れる経路の動作点を変化することなく、増幅読み出し動作時の増幅トランジスタ１０のゲート・ソース間電圧を調整可能となり、増幅読み出し回路９の動作点調整が容易になり、より最適な状態での動作を行うことが可能である。従って、より低雑音，高感度，ワイドダイナミックレンジの赤外線センサを得ることができる。
【００６６】
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係わる赤外線センサの全体構成を示す回路図であり、図１に示したセンサ構成図を簡略表記した上で、５行５列の２５画素の構成を示している。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００６７】
行選択回路４０により選択された行選択線４に行選択パルスが印加され、選択された行にある画素１には負荷ＭＯＳトランジスタによる低電流回路８０から供給されるバイアス電流が垂直信号線５を介して流れ、バイアス電流と画素１の温度により決まる画素ｐｎ接合の動作点に応じた画素出力電圧が垂直信号線５に発生する。垂直信号線５は、結合容量１１とサンプルトランジスタ１５からなる閾値保持回路１１０を介して増幅読み出し回路９０に接続されており、増幅読み出し回路９０内で増幅された１行分の信号電圧情報群は、水平選択回路６により選択される水平読み出し回路７０から出力端Ｖout に順次読み出される。
【００６８】
本実施形態においては、撮像領域内部に赤外線感度を有さない無感度画素２が１行配置された無感度画素行２００が配置されており、行選択回路４０は、通常の画素１と同様な行選択手段で無感度画素２を選択することができる。
【００６９】
図６は、無感度画素２の構造の一例を示す断面構造図（ａ）及び表面構造図（ｂ）である。前記図２に示した通常の画素の構造と比較して明らかなように、支持基板１７内部に中空構造１８が形成されていないことを除けば、通常の画素１と同一の構造であり、電気的構造は同一である。しかし、中空構造１８を形成していないため、入射赤外線が赤外線吸収層２２で吸収されて発生した熱は支持基板１７に伝導されてしまう。つまり、赤外線が入射してもセンサ部１６の温度は変化しないことになるので、結果的に赤外線に対して感度を有さない無感度画素となる。
【００７０】
図５に示すように、無感度画素行２００を撮像領域３内に含むセンサを図３に示したタイミングチャートで駆動することによって、無感度画素行２００の出力情報が得られる。この無感度画素行２００の出力を得ることにより、さらに低雑音化することが可能となる。即ち、増幅トランジスタ１０の閾値情報を結合容量１１に保持する際に、結合容量１１には結合容量１１のリセット雑音が発生するが、このリセット雑音は、閾値情報が１フレーム期間保持されるためにフレーム期間内では各列で一定である。従って、無感度画素行２００の信号を読み出し、外部回路により通常の画素出力との差分を得られるような信号処理を行うことで除去可能となるので、無感度画素行２００を設けることによって、より低雑音で高感度な赤外線センサを得ることができる。
【００７１】
このリセット雑音は、結合容量値をＣｃとした場合に、ボルツマン定数をｋ、素子の絶対温度をＴとして、（ｋＴ／Ｃｃ）1/2 で表現され、Ｃｃ＝１ｐＦの場合は約６０μＶにもなる。この値は、増幅トランジスタ１０の閾値ばらつきの値（約３０ｍＶ）の１／１００以下であるので、増幅読み出し回路９における動作マージンを設定する必要はない。また、フレーム内での縦筋状の固定パターン雑音として発生するが、フレーム内での相関を利用して、無感度画素出力との差分をとることで除去可能になるので、雑音の増加を招くことは無い。
【００７２】
また、図７に示すように、１行分の出力情報群を保持する記憶回路３０１を設けて、保持した行とは異なる行からの出力を、記憶回路３０１に保持した出力情報群によって補正する補正回路３０２をチップ内に含むセンサ構造によって、チップ上での処理を行うことも可能である。
【００７３】
（第４の実施形態）
図８は、本発明の第４の実施形態に係わる赤外線センサの駆動方法を説明するためのタイミングチャートであり、１行目に無感度画素行を含む、２行２列の素子の駆動例を示している。
【００７４】
本実施形態におけるセンサ構成は第３の実施形態で用いた図５と同一である。なお、図８では説明を簡単にするために２行２列の例を示しているが、５行５列の場合も同様に適用できるのは勿論のことである。
【００７５】
本実施形態においては、増幅トランジスタ１０の閾値情報読み取りを、非選択期間ではなく、無感度画素行の選択期間１０３に行っている。無感度画素行２００を選択している期間１０３で閾値情報を読み取るために、この期間１０３において増幅トランジスタソースＳＳにパルス電圧を印加している。なお、無感度画素行の選択期間１０３に読み取られた閾値情報は、これに続く水平読み出し期間１０４で水平選択回路６により水平読み出しトランジスタ１４を順次選択することにより出力線２４に読み出される。
【００７６】
このように本実施形態では、増幅トランジスタソースに印加するパルス電圧によって、結合容量１１に読み出される閾値情報に付加されるオフセット電圧を調整可能であり、従って増幅読み出し回路９の動作点を調整することが可能である。無感度画素行２００を選択している期間１０３に閾値情報を読み取る動作を行うことで、増幅トランジスタ１０の閾値情報のみならず、定電流源である負荷ＭＯＳトランジスタ８の閾値情報を同時に読み出すことになるので、増幅読み出し回路９のゲインをさらに大きく設定可能となるので、より低雑音，高感度，ワイドダイナミックレンジな赤外線センサを得ることができる。
【００７７】
（第５の実施形態）
図９は、本発明の第５の実施形態に係わる赤外線センサの駆動方法を説明するためのタイミングチャートである。この図では、１行目に無感度画素行がある２行３列の画素構成の駆動を示している。
【００７８】
本実施形態においては、行選択回路４０が無感度画素行２００を２回選択しており、１回目の行選択期間１０３において閾値情報の読み取りを行い、２回目の行選択期間１０５において無感度画素出力を得ている。さらに、選択期間１０３に読み取られた閾値情報はこれに続く水平読み出し期間１０４で読み出され、選択期間１０５に読み取られた無感度画素出力はこれに続く水平読み出し期間１０６で読み出される。
【００７９】
このように図９のタイミングによれば、無感度画素行を１行設けるだけの構造で、無感度画素による閾値読み取り動作と、無感度画素出力の読み取りを行うことが可能である。そして、閾値読み取りにより増幅トランジスタ１０のしきい値のばらつきの影響を無くすことができ、無感度画素出力の読み取りに加え、先に説明した外部回路による通常画素出力との差分をとることにより、結合容量１１のリセット雑音を無くすことができる。
【００８０】
（第６の実施形態）
図１０は、本発明の第６の実施形態に係わる赤外線センサの全体構成を示す回路図であり、図１に示したセンサ構成図を簡略表記した上で、５行５列の２５画素の構成を示している。第３の実施形態で説明した図５の構成と基本的には同じであるが、本実施形態では無感度画素２が２行設けられている。
【００８１】
図１０のセンサの駆動方法は、図１１のタイミングチャートに示す通りであり、第１行目の無感度画素行を選択する期間１０３で閾値情報の読み取りを行い、第２行目の無感度画素行を選択する期間１０５で無感度画素出力を得ている。増幅トランジスタ１０のソースには、閾値情報の読み出し期間１０３には高電圧が印加され、画素出力信号の増幅読み出し期間１０５、１０１には低電圧が印加される。
【００８２】
本実施形態によれば、第５の実施形態と同様に、無感度画素による閾値読み取り動作と無感度画素出力の読み取りを行うことが可能となり、増幅トランジスタ１０のしきい値のばらつきの影響を無くすことができ、結合容量１１のリセット雑音を無くすことができる。これに加え、行選択回路４０には単純なシフトレジスタ回路を用いることが可能であるので、周辺回路の設計が容易である。
【００８３】
（第７の実施形態）
前記図７に示した構成例では、保持された閾値情報に基づく出力信号を、１フレーム期間保持する記憶保持手段３０１や、この保持記憶された情報に基づいて、有効出力信号を補正するための補正手段３０２が必要である。さらに、結合容量１１に閾値情報を１フレーム期間保持するために、結合容量１１及び結合容量１１に接続されたトランジスタ等のリーク電流の影響を受けやすい。従って、これらのリーク電流が大きい場合には、保持された閾値情報が１フレーム期間内に変化してしまい、出力画像に縦方向のシェーディングが発生する可能性もある。そこで、以下の実施形態ではこれを解決している。
【００８４】
図１２は、本発明の第７の実施形態に係わる赤外線センサの全体構成を示す回路図であり、３行２列の３×２画素構成を示している。なお、図１と同一部部には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。また、図では説明を簡単にするために２行２列の３×２画素構成を示しているが、より多数行，多数列のｍ×ｎ画素構成に適用できるのは勿論のことである。
【００８５】
図１２の上方の２行には赤外線検出画素１が配列され、図１２の下方の１行には無感度画素２が配列され無感度画素行２００が構成されている。撮像領域３には、入射赤外線を電気信号に変換する赤外線検出画素１が２次元的に配置された領域と、上記の無感度画素２が行方向に配列された無感度画素行２００とが存在している。
【００８６】
赤外線検出画素１の構造例は前記図２と同様である。また、無感度画素２の構造例は前記図６と同様である。なお、図１２においては、無感度画素行２００を図１２の下部側の行に配置しているが、必要に応じて、図１２の上部側の行に配置する等の構成も可能である。また、無感度画素行２００は少なくとも１行分配置することが必要であるが、さらに必要に応じて２行以上配置することも可能である。
【００８７】
撮像領域３内部には、行選択線４（４−１，４−２，４−３）と垂直信号線５（５−１，５−２）が配置されている。行選択線４は、行選択のための回路である行選択回路４０に接続され、行選択駆動される。垂直信号線５には、赤外線検出画素１及び無感度画素２からの信号読み出しのためのバイアス電流を供給するための定電流源が接続されている。
【００８８】
垂直信号線５と増幅トランジスタ１０（１０−１，１０−２）の各々のゲートとの間に第１の結合容量１１が配置され、増幅トランジスタ１０のゲート・ドレイン間にサンプリングトランジスタ１５を配置し、増幅トランジスタ１０の閾値電圧ばらつきに起因する問題を図１の構成と同様に回避している。しかし、図１２の構成においては、増幅読み出しの回路以降の構成が異なっている。増幅トランジスタ１０のドレインは、各列に配置される積分トランジスタ（ＩＮＴ）３２を介して第２結合容量３３に接続されている。第２結合容量３３の他端には蓄積容量３０が接続されていると共に、クランプトランジスタ（ＣＬ）３１が接続されている。蓄積容量３０に蓄積，保持された信号電圧は、水平選択回路６によって、順次水平読み出しトランジスタ６（６−１，６−２）を介して、出力部Ｖout に時系列で読み出される。
【００８９】
図１２の構成によって、毎水平走査期間内に増幅トランジスタの閾値電圧情報のサンプリングを行い、結合容量１１に閾値電圧情報が保持される期間が、水平走査期間に短縮することが可能となり、結合容量１１及びそれに接続されるサンプリングトランジスタ１５等のリーク電流の影響を大幅に低減可能となる。
【００９０】
例えば、結合容量１１における閾値電圧保持期間がフレーム期間であるという図１の構成では、上述のリーク電流の影響により垂直シェーディングが発生する可能性がある。さらに、製造プロセスの変動等により、上述のリーク電流が増大してしまった場合には、さらに大きい垂直シェーディング問題が発生したり、或いはある行以降において撮像不能となる可能性があり、特性上の安定性及び製造上の安定性に課題がある。
【００９１】
一方、本実施形態によれば、閾値電圧を毎水平走査期間にサンプリングしているので、上述のような垂直シェーディングは本質的に発生しない。さらに、閾値電圧の保持時間が、フレーム期間から水平走査期間に大幅に短縮されているので、リーク電流に対する仕様は大幅に緩和されることになり、製造上の安定性が大幅に向上し、安定的に製造が可能となる。
【００９２】
さらに、図１２の構成によれば、毎水平走査期間内に赤外線検出画素１からの出力電圧と、無感度画素２からの出力電圧の差分処理を行うことが可能となる。この差分処理によって、得られる効果は、以下の二つの雑音低減効果と、その各々と関連して得られる製造歩留まり向上効果である。一つは、上記の増幅トランジスタ１０の閾値電圧情報のサンプリングにおいて発生する、結合容量１１のリセット雑音を、列増幅読み出し回路内部で除去できるということである。この結合容量１１におけるリセット雑音を見積もると、以下のようになる。
【００９３】
リセット雑音電圧Ｖｎは、Ｖｎ＝（ｋＴ／Ｃ）1/2 で表現される。但し、ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度である。従って、結合容量値として１ｐＦを仮定すれば、結合容量に発生するリセット雑音は約６０μＶにもなってしまう。これは、前述した赤外線感度の見積もり結果を適用すると、被写体温度換算で１．２［℃］にもなる、非常に大きい雑音成分である。従って、高感度のセンサを実現するためには、何らかの手段によって、この結合容量のリセット雑音を除去することが不可欠である。このリセット雑音を除去するための素子構成例の一つが前記図７である。
【００９４】
次に、本実施形態の赤外線センサを駆動するタイミングチャートの例を図１３に示し、図１３のタイミングチャートに沿って、図１２の赤外線センサの動作を説明する。水平ブランキング期間３０１における動作は、増幅トランジスタ１０の閾値サンプリング動作（図１３、期間ａ）、無感度画素２からの信号読み出し動作（図１３、期間ｂ）、そして、赤外線検出画素１からの信号読み出し動作（図１３、期間ｃ）である。
【００９５】
まず、行選択回路４０による行選択を行わない非選択状態として、全ての行選択線４はオフされている。従って、前述のように、垂直信号線５には、負荷ＭＯＳトランジスタ８のソース電圧として印加している基板電位Ｖｓが発生する。そして、サンプリングトランジスタ１５及びリセットトランジスタ１４をオンにする。この動作により、増幅トランジスタ１０のゲートとドレインは同電圧となり、リセットトランジスタ１５によりリセットされ、増幅トランジスタ１０はいずれもオン状態になる。
【００９６】
次に、リセットトランジスタ１５をオフにすることで、増幅トランジスタ１０のドレイン電圧及びゲート電圧は各々のドレイン電流により低下し、各々のドレイン電流がゼロになった状態に収束する。このときの、各々の増幅トランジスタ１０のドレイン電圧及びゲート電圧が、各々の増幅トランジスタ１０の閾値電圧である。その後、サンプリングトランジスタ１５をオフとすることで、増幅トランジスタ１０のゲートとドレインは分離され、以後、サンプリングされた各々の閾値電圧は、列毎の第１結合容量１１に保持されることになる。
【００９７】
次に、リセットトランジスタ１４と積分トランジスタ３２とクランプトランジスタ３１をオンする。このとき、増幅トランジスタ１０のドレイン電圧及び第２結合容量３３の電圧はリセットされ、蓄積容量３０の電圧Ｖcsが所望の電圧に固定される。
【００９８】
次に、リセットトランジスタ１４をオフにして、ゲート変調積分回路による増幅読み出しを開始する。行選択回路４０により行選択線４−３に電源電圧Ｖｄを印加し、無感度画素行２００を行選択する。このとき、負荷ＭＯＳトランジスタ８から垂直信号線５を介して無感度画素行２００の無感度画素２が順バイアスされ、負荷ＭＯＳトランジスタ８により決定される順バイアス電流と、半導体基板１７の温度とにより無感度画素２内部のｐｎ接合の動作点が決まり、垂直信号線５に無感度画素出力が発生する。垂直信号線５に発生した電圧変化は、結合容量１１を介して増幅トランジスタ１０のゲート電圧変化を変調し、増幅トランジスタ１０をオン状態としてドレイン電流が流れ、第２結合容量３３に蓄積される。
【００９９】
次に、行選択回路４０による行選択線４−３の選択をオフにすることで、増幅トランジスタ１０はオフし、ゲート変調積分読み出し動作が完了し、無感度画素２の信号出力が第２結合容量３３に蓄積される。そして、クランプトランジスタ３１をオフにした後に、リセットトランジスタ１４をオンし、増幅トランジスタ１０のドレイン電圧及び第２結合容量３３の電圧をリセットし、再度リセットトランジスタ１４をオフにする。
【０１００】
行選択回路４０により、行選択線４−１に電源電圧が印加され、第１行の赤外線検出画素が選択される。このとき、負荷ＭＯＳトランジスタ８から垂直信号線５を介して選択された第１行の赤外線検出画素１が順バイアスされ、負荷ＭＯＳトランジスタ８により決定される順バイアス電流と、赤外線検出画素１内部のセンサ部１６の温度とにより赤外線検出画素１内部のｐｎ接合の動作点が決まり、垂直信号線５に第１行の赤外線検出画素出力が発生する。行選択回路４０により第１行が選択される期間（図１３、期間ｃ）、前述の無感度画素行選択期間（図１３、期間ｂ）と同様な動作により、赤外線検出画素出力によるゲート変調積分読み出し動作が行われ、そのドレイン電流は第２結合容量３３に信号電荷として蓄積される。このとき、クランプトランジスタ３１はオフとなっているので、上記の赤外線検出画素による信号電荷の発生により蓄積容量３０の電圧Ｖcsは変調される。
【０１０１】
最後に積分トランジスタ３２をオフすることで、第１行に関する水平ブランキング期間の動作が完了する。このとき、蓄積容量３０には、クランプトランジスタ３１のオン動作により固定されたクランプ電圧を基準に、無感度画素２からの出力と赤外線検出画素１からの出力の差分により変調された電圧Ｖcsが保持されている。
【０１０２】
次に、水平有効期間３００では、水平選択回路６により水平読み出しトランジスタ７が順次オンされ、時系列で出力線２４に出力信号が読み出される。続く、水平ブランキング期間３０２においては、前述した水平ブランキング期間３０１における動作と基本的に同一であり、行選択回路４０により選択される行選択線が第１行の行選択線４−１ではなく、第２行の行選択線４−２であることを除けば、同じ動作を行う。さらに、水平ブランキング期間３０２に続く水平有効期間３００では、第１行の信号読み出しと同等に、水平選択回路６により水平読み出しトランジスタ６が順次オンされ、時系列で出力線２４に出力信号が読み出される。
【０１０３】
以上のような動作によれば、前述の通り、毎水平走査期間において増幅トランジスタ１０の閾値サンプリングを行うことが可能となり、低雑音であると共に製造工程の変動への耐性が高く、製造歩留まりが高い赤外線センサを実現できる。しかも、前記図７に示した構成例とは異なり、記憶保持手段３０１や補正手段３０２等の外部回路を設ける必要もなくオンチップで実現することができるため、赤外線センサシステムを低コスト化できる。
【０１０４】
図１２の実施形態を駆動するためのタイミングチャートは、図１３以外にもバリエーションがあるが、ここでは、増幅トランジスタ１０のソース電圧をパルス駆動する例について、図１４を用いて説明する。図１４と図１３とは、基本的には同様の動作を行うものであり、大部分タイミングチャートは同一である。図１４には、図１３ではＤＣ駆動であった、増幅トランジスタソースＳＳの電圧をパルス駆動している。また、それにシンクロしたタイミングで無感度画素行２００の行選択線４−３にもパルスが追加されている。図１４での動作は、基本的に図１３と同一であるので、同一の部分についての説明は省略する。
【０１０５】
図１４の駆動は、水平ブランキング期間３０１の初期（図１４、期間ａ）における、増幅トランジスタ１０の閾値電圧サンプリング動作においてソースＳＳにパルス電圧Ｖｓを印加し、それと同時に無感度行２００の選択を行うために行選択線４−３もオンとしている。この動作においては、増幅トランジスタ１０のソースＳＳが基板電圧Ｖｓより高い電圧に設定されるために、サンプリングされる閾値電圧は増幅トランジスタ１０のソースＳＳがＶｓの時の値となり、図１３の動作よりも高い閾値電圧がサンプリングされることになる。その後の、無感度画素行２００の選択からゲート変調積分読み出し動作、及び赤外線検出画素の選択からゲート変調積分読み出し動作においては、ソースＳＳは基板電圧Ｖｓに設定される。
【０１０６】
図１４の駆動によれば、増幅トランジスタ１０の動作点調整の調整対象が増加し、より最適な状態での素子動作が可能となり、その結果として、さらに高感度特性を得ることが可能となる。即ち、図１３の駆動において、増幅トランジスタ１０の動作点を決定するのは、行選択回路４０によって行選択線４に印加される電源電圧Ｖｄによって決定されてしまう。ところが、行選択回路４０によって印加する電源電圧Ｖｄは、赤外線検出画素１の感度にも影響を及ぼすので、必ずしも増幅トランジスタ１０の動作の最適化だけのための調整を行うことができない。従って、増幅トランジスタ１０の増幅率を最適にできない場合があり、最高の感度を得ることができない。
【０１０７】
なお、図１３、１４では、はじめに無感度画素２からの信号出力を読み出し、それに続き赤外線検出画素１からの信号出力を読み出すタイミングチャートを例示したが、逆に赤外線検出画素１からの信号読み出しを行ってから、無感度画素２からの信号読み出しを行うことももちろん可能である。さらに、図１３、１４では、赤外線検出画素２と無感度画素１との出力信号を差分処理するためのタイミングチャートを例示しているが、異なる行の赤外線検出画素からの出力同士の差分処理を行うことも可能である。その場合には、これまで述べてきた効果の他に、例えば隣接行間の差分処理を行うことが可能となり、垂直方向に限定されるものの、いわゆるエッジ検出を行うことも可能となる。
【０１０８】
（第８の実施形態）
図１５は、本発明の第８の実施形態を説明するための赤外線センサの構成図である。３×２画素構成を示しており、図１５の上方の２行には赤外線検出画素１が配列され、図１５の下方の１行には無感度画素２が配列され無感度画素行２００が構成されている。
【０１０９】
撮像領域３には、入射赤外線を電気信号に変換する赤外線検出画素１が２次元的に配置された領域と、上記の無感度画素２が行方向に配列された無感度画素行２００とが存在している。赤外線検出画素１及び無感度画素２の構造は、各々図２、図６に例示したものと同様である。図１５の構成の基本部分は、第７の実施形態である図１２と同一であるのでその説明を省略し、ここでは第７の実施形態との差異を中心に説明する。
【０１１０】
撮像領域３及びその周辺回路構成、垂直信号線５−１，５−２から第１結合容量１１を介して接続されるゲート変調積分読み出し回路の構成、及び２回の信号読み出し結果を差分処理する回路については、図１２と同一の構成になっている。本実施形態においては、差分処理後の信号電圧を保持する第１蓄積容量３０と、水平読み出しトランジスタ１４との間に、さらに一段のサンプルホールド回路を設けた構成となっている。
【０１１１】
即ち、第１蓄積容量３０に保持された信号電圧は、転送トランジスタ４２を介して、第２蓄積容量４３に接続されており、水平読み出しトランジスタは１４は、第２蓄積容量４３に蓄積された信号を順次読み出す構造となっている。第２蓄積容量４３の電圧を初期化するために、第２蓄積容量４３には第２リセットトランジスタ４４が接続されている。第１蓄積容量３０と、第２蓄積容量４３とを転送トランジスタ４２で分離することで、信号電圧を第２蓄積容量４３に保持した状態で、第１蓄積容量３０を使用して行うゲート変調積分読み出し動作を行うことが可能となる。
【０１１２】
図１５の本実施形態による赤外線センサを駆動するためのタイミングチャートの一例を図１６に示し、その動作と効果について、以下説明する。
【０１１３】
本実施形態においては、第７の実施形態では水平ブランキング期間１０１、１０２で行っていた撮像信号の読み出し動作を、有効期間１００に行うことが異なっている。初めの有効期間１００において、図１３における水平ブランキング期間での動作と同様な動作を行うことで、各水平走査期間毎の増幅トランジスタ１０の閾値電圧サンプリング動作（図１６、期間ａ）、第１蓄積容量３０の電圧を固定した状態での無感度画素２からの暗信号のゲート増幅積分読み出し動作（図１６、期間ｂ）、そして差分処理のためのクランプトランジスタ３１をオフにした後に行う、選択行の赤外線検出画素１からの光信号のゲート増幅積分読み出し動作（図１６、期間ｃ）を行う。この結果、第１蓄積容量３０には、増幅トランジスタ１０の閾値のばらつきの影響が排除され、さらに低周波数での帯域制限が行われた結果として負荷ＭＯＳトランジスタ８及び増幅トランジスタ１０の１／ｆ雑音が低下した状態での低雑音な信号電圧が保持される。
【０１１４】
この間、転送トランジスタ４２はオフされており、水平読み出しトランジスタ１４は第１蓄積トランジスタ３０と分離されている。水平選択回路６からの水平選択パルスにより、水平読み出しトランジスタ１４が順次選択されるが、出力部２４には、リセット信号が出力される。
【０１１５】
本実施形態における水平ブランキング期間１０１での動作は、第１蓄積容量３０に蓄積されていた信号電圧を、第２蓄積容量４３に転送するという動作のみである（図１６、期間ｄ）。まず、第２リセットトランジスタ４４をオンして、第２蓄積容量４３の電圧をリセットし、再度第２リセットトランジスタ４４をオフする。次に、転送トランジスタ４２をオンして、第１蓄積容量３０に保持された信号電荷を第２蓄積容量４３に転送し、再度転送トランジスタ４２をオフする。この水平ブランキング期間１０１において、第２蓄積容量４３に転送された信号電圧は、次の有効期間において順次読み出されることになる（図１６、期間ｅ）。
【０１１６】
本実施形態によれば、無感度画素２からのゲート変調積分読み出し動作、及び赤外線検出画素１からのゲート変調積分読み出し動作を、水平走査期間の大部分を占める有効期間内に動作することが可能となる。即ち、上述のゲート変調積分読み出し動作を支配する行選択パルスの幅を、大幅に拡大できることになる。その結果、信号周波数帯域の高周波側における帯域制限が可能となり、ランダム雑音を低減可能となるので、さらに低雑音の赤外線センサを得ることができる。勿論、第７の実施形態の効果である、信号周波数帯域の低周側での帯域制限による、負荷ＭＯＳトランジスタ及び増幅トランジスタにおいて発生する１／ｆ雑音の低減効果や、毎水平走査期間に閾値電圧をサンプリングすることによる垂直シェーディング防止効果や、差分処理動作による、第１結合容量１１で発生する高レベルのリセット雑音の除去効果は、本実施形態においても同様に得られる。
【０１１７】
また、これらの特長によって、製造工程の変動への耐性が向上しているので、第７の実施形態と同様に、製造工程の変動があっても、高い歩留まりで安定に製造可能であるという効果も得られる。
【０１１８】
図１５に示した赤外線センサを駆動するためのタイミングチャートは、図１６以外にもバリエーションがあるが、ここでは、増幅トランジスタ１０のソース電圧をパルス駆動する例について、図１７を用いて説明する。図１７と図１６とは基本的には同様の動作を行うものであり、大部分タイミングチャートは同一である。図１７には、図１６ではＤＣ駆動であった、増幅トランジスタ１０のソースＳＳの電位をパルス駆動している。また、それにシンクロしたタイミングで無感度行２００の行選択線４−３にもパルスが追加されている。
【０１１９】
図１７での動作は、基本的に図１６と同一であるので、同一の部分についての説明は省略する。図１７の駆動は、有効期間１００の初期（図１７、期間ａ）における、増幅トランジスタ１０の閾値電圧サンプリング動作において増幅トランジスタ１０のソースＳＳにパルス電圧Ｖｓを印加し、それと同時に無感度行２００の選択を行うために行選択線４−３もオンとしている。この動作においては、増幅トランジスタ１０のソースＳＳが基板電圧Ｖｓより高い電圧に設定されるために、サンプリングされる閾値電圧は増幅トランジスタ１０のソースＳＳがＶｓの時の値となり、図１６の動作よりも高い閾値電圧がサンプリングされることになる。その後の、無感度画素行の選択からゲート変調積分読み出し動作、及び赤外線検出画素の選択からゲート変調積分読み出し動作においては、ソースＳＳは基板電圧Ｖｓに設定される。
【０１２０】
図１７の駆動によれば、増幅トランジスタ１０の動作点調整の調整対象が増加し、より最適な状態での素子動作が可能となり、その結果として、さらに高感度特性を得ることが可能となる。即ち、図１６の駆動において、増幅トランジスタ１０の動作点を決定するのは、行選択回路４０によって行選択線４に印加される電源電圧Ｖｄによって決定されてしまう。ところが、行選択回路４０によって印加する電源電圧Ｖｄは、赤外線検出画素１の感度にも影響を及ぼすので、必ずしも増幅トランジスタ１０の動作の最適化だけのための調整を行うことができない。従って、増幅トランジスタ１０の増幅率を最適にできない場合があり、最高の感度を得ることができない。
【０１２１】
なお、図１６、１７では、初めに無感度画素２からの信号出力を読み出し、それに続き赤外線検出画素１からの信号出力を読み出すタイミングチャートを例示したが、逆に赤外線検出画素１からの信号読み出しを行ってから、無感度画素２からの信号読み出しを行うことも勿論可能である。さらに、図１６、１７では、赤外線検出画素２と無感度画素１との出力信号を差分処理するためのタイミングチャートを例示しているが、異なる行の赤外線検出画素からの出力同士の差分処理を行うことも可能である。その場合には、これまで述べてきた効果の他に、例えば隣接行間の差分処理を行うことが可能となり、垂直方向に限定されるものの、いわゆるエッジ検出を行うことも可能となる。
【０１２２】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。画素構成は実施形態に示したもの以外にｍ×ｎの各種の画素構成に適用できる。赤外線検出画素は図２の構造に何ら限定されるものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。具体的には、半導体基板上に入射赤外線を吸収し熱に変換するための赤外線吸収手段と、赤外線吸収手段で発生した熱による温度変化を電気信号に変換するための熱電変換手段と、熱電変換手段からの画素出力信号を読み出す画素を選択する画素選択手段と、画素選択手段により選択された赤外線検出画素からの画素出力信号を出力するための出力手段とを有するものであればよい。また、赤外線を直接電気信号に変換できる素子を使用することも可能である。
【０１２３】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することが可能である。
【０１２４】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、画素出力が発生する信号線と増幅トランジスタのゲートとの間に結合容量を設けてＤＣ的に分離し、増幅トランジスタのドレインとゲートとの間にサンプリングトランジスタを設け、フレーム毎に列毎の増幅トランジスタの閾値情報を増幅トランジスタのゲートに与えるようにしているので、閾値ばらつきに起因する蓄積容量の電圧スイングを確保するために必要な蓄積容量の動作電圧領域のマージン設定が不要となる。従って、ゲート変調積分回路のゲインを大きく設計することが可能となり、感度の向上をはかることができる。また同じ理由で、蓄積容量電位をフルに利用できるようになり、ダイナミックレンジの拡大をはかることができる。これにより、低雑音，高感度，ワイドダイナミックレンジの非冷却赤外線センサを実現することが可能となる。また、製造工程の変動への耐性が向上するので、高い製造歩留まりで、安定に製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係わる赤外線センサの全体構成を示す回路図。
【図２】第１の実施形態に用いた赤外線検出画素の断面構造と平面構造を示す図。
【図３】第１実施形態に係わる赤外線センサの駆動方法を説明するためのタイミングチャート。
【図４】第２の実施形態に係わる赤外線センサの駆動方法を説明するためのタイミングチャート。
【図５】第３の実施形態に係わる赤外線センサの全体構成を示す回路図。
【図６】第３の実施形態に用いた無感度画素の断面構造と平面構造を示す図。
【図７】第３の実施形態の変形例を示す図。
【図８】第４実施形態に係わる赤外線センサの駆動方法を説明するためのタイミングチャート。
【図９】第５の実施形態に係わる赤外線センサの駆動方法を説明するためのタイミングチャート。
【図１０】第６の実施形態に係わる赤外線センサの全体構成を示す回路図。
【図１１】第６の実施形態に係わる赤外線センサの駆動方法を説明するためのタイミングチャート。
【図１２】第７の実施形態に係わる赤外線センサの全体構成を示す回路図。
【図１３】第７の実施形態に係わる赤外線センサの駆動方法を説明するためのタイミングチャート。
【図１４】第７の実施形態に係わる赤外線センサの駆動方法を説明するためのタイミングチャート。
【図１５】第８の実施形態に係わる赤外線センサの全体構成を示す回路図。
【図１６】第８の実施形態に係わる赤外線センサの駆動方法を説明するためのタイミングチャート。
【図１７】第８の実施形態に係わる赤外線センサの駆動方法を説明するためのタイミングチャート。
【符号の説明】
１…赤外線検出画素
２…無感度画素
３…撮像領域
４…行選択線
４０…行選択回路
５…垂直信号線
６…水平選択回路
７…水平選択線
７０…水平読み出し回路
８…負荷ＭＯＳトランジスタ
８０…定電流回路
９…列増幅読み出し回路
９０…増幅読み出し回路
１０…増幅トランジスタ
１１…結合容量
１１０…閾値保持回路
１２…蓄積容量
１４…リセットトランジスタ
１５…サンプルトランジスタ
１６…センサ部
１７…支持基板
１８…中空構造
１９…ＳＯＩ単結晶シリコン層
２０…埋め込み酸化シリコン層
２１…支持部
２２…赤外線吸収層
２４…出力部
２５…増幅トランジスタソース
１００…非選択期間
１０１，１０３，１０５…行選択期間
１０２，１０４，１０６…水平読み出し期間
２００…無感度画素行
３０１…行出力情報記憶回路
３０２…出力補正回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外線センサ及びその駆動方法に係わり、特に非冷却型の赤外線センサにおける信号読み出し回路の改良をはかった赤外線センサ及びその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
赤外線を利用した撮像装置は、昼夜に拘わらず撮像可能であると共に、可視光よりも煙や霧に対して透過性が高いという特長を有し、さらに被写体の温度情報をも得られるいう特長を有する。このため、防衛分野を初め監視カメラや火災検知カメラとして広い応用範囲を有する。
【０００３】
従来の主流素子である量子型赤外線固体撮像素子の最大の欠点は低温動作のための冷却機構を必要とすることであるが、近年このような冷却機構を必要としない非冷却型赤外線固体撮像素子の開発が盛んになってきている。非冷却型、即ち熱型の赤外線固体撮像素子においては、波長１０μｍ程度の入射赤外線を吸収構造により熱に変換した上で、この微弱な熱により生じる感熱部の温度変化を何らかの熱電変換手段により電気的信号に変換し、この電気的信号を読み出すことで赤外線画像情報を得ている。
【０００４】
非冷却型の赤外線固体撮像素子としては、一定の順方向電流により温度変化を電圧変化に変換するシリコンｐｎ接合をＳＯＩ領域に形成したものが報告されている（Tomohiro Ishikawa, et al.,Proc.SPIE Vol.3698, p.556,1999）。ＳＯＩ基板を用いたシリコンｐｎ接合型の素子は、シリコンＬＳＩ製造工程のみによる製造が可能であるという特長があり、従って量産性に優れた素子である。また、シリコンｐｎ接合型素子には、熱電変換手段であるｐｎ接合が整流特性を利用した画素選択機能を有していることから、画素の内部構造を単純化できるという特長もある。
【０００５】
ところで、非冷却型の赤外線固体撮像素子における画素部の温度変化は、赤外線吸収層の吸収率や光学系にもよるが、一般的には被写体の温度変化の５×１０-3倍程度であり、被写体温度が１［Ｋ］変化すれば画素温度は５［ｍＫ］変化する。シリコンｐｎ接合を８個直列接続した場合の、熱電変換効率は１０［ｍＶ／Ｋ］程度であるので、被写体温度が１［Ｋ］変化した場合には画素部に５０［μＶ］の信号電圧が発生する。実際には、被写体の温度変化として０．１［Ｋ］程度を識別することが要求されることが多いので、その場合に発生する５［μＶ］程度の信号電圧を読み出すことが必要となる。
【０００６】
このような非常に微弱な信号電圧を読み出す方法として、画素部で発生した信号電圧を増幅トランジスタのゲート電圧として電流増幅し、増幅された信号電流を蓄積容量で時間積分するという回路構成が知られている。この回路構成は、ゲート変調積分回路と呼ばれる回路であり、この回路構成を各列毎に配置して１行分の電流増幅を並列処理することで、信号帯域を制限しランダム雑音を低減できるという効果がある。
【０００７】
ゲート変調積分回路における電圧ゲインＧは、増幅トランジスタの相互コンダクタンスｇｍ（＝δＩｄ／δＶｇ）、積分時間ｔｉ、そして蓄積容量Ｃｉにより決まり、
Ｇ＝（ｔｉ×ｇｍ）／Ｃｉ …（１）
で表現される。積分時間ｔｉ及び蓄積容量Ｃｉが与えられたとき、上記のゲインは増幅トランジスタの相互コンダクタンスｇｍにより支配され、ｎ型のＭＯＳトランジスタが飽和領域で動作する場合のｇｍは、下記の（２）式により近似表現される。
【０００８】
ｇｍ＝（Ｗ／Ｌ）・（εox／Ｔox）・μｎ・（Ｖgs−Ｖth）…（２）
但し、Ｗ：チャネル幅、Ｌ：チャネル長、εox：ゲート酸化膜の誘電率、Ｔox：ゲート酸化膜厚、μｎ：電子移動度、Ｖgs：ゲート・ソース間電圧、Ｖth：トランジスタの閾値電圧、である。
【０００９】
既に述べたように、被写体の温度差として０．１［Ｋ］程度を認識することが要求されるので、そのときに画素出力部に発生する５［μＶ］程度の信号を読み出すことが必要となる。この信号電圧レベルは、可視光を撮像するセンサであるＣＭＯＳセンサと比較して、非常に低い電圧である。例えば、文献（「高感度ＣＭＯＳイメージセンサ」、映像情報メディア学会誌Vo1.54,No.2,p.216,2000）によれば、雑音電圧は約０．４［ｍＶ］＝４００［μＶ］であり、これと比較すれば、上記の赤外線センサの雑音レベルはＣＭＯＳセンサの約１／８０という低電圧であり、取り扱う信号電圧も同じく約１／８０という低電圧になる。従って、センサ出力を一般的な撮像素子であるＣＭＯＳセンサと同様の回路によって処理することを考えれば、約８０倍のゲインを実現することが望ましい。
【００１０】
ところが、ゲート変調積分回路における増幅トランジスタのゲートには、５［μＶ］程度の画素出力よりも大きい揺らぎ成分が存在しており、実際にはゲインを低く設計している。この揺らぎ成分は、ＭＯＳ増幅トランジスタの閾値の揺らぎと、定電流源として使用する負荷ＭＯＳトランジスタの閾値揺らぎに起因したものであり、いずれも一般的には約３０［ｍＶ］程度の揺らぎが発生することが知られている。
【００１１】
この閾値揺らぎ成分は、増幅トランジスタのゲート電圧として与えられる画素出力信号と同様に、増幅読み出し回路により増幅されるので、ゲインを約８０倍に設計した場合には、蓄積容量に２．４［Ｖ］もの揺らぎが発生することになってしまう。勿論、この閾値揺らぎは、各々の増幅ＭＯＳトランジスタ及び各々の負荷ＭＯＳトランジスタに固有の揺らぎであり、画像上は固定パターンとして発生するので、外部回路による補正を行うことが可能である。しかし、このような補正を行うと、蓄積容量の電圧スイングの大部分を閾値揺らぎ対策として消費してしまうと同時に、外部回路に要求されるダイナミックレンジが拡大してしまうことになる。
【００１２】
従って、これまでは増幅読み出し回路のゲインを犠牲にして、外部回路での処理への負荷を低減せざるを得なかった。また、ゲインを十分に大きくできないために、増幅読み出し回路における電流ショット雑音や１／ｆ雑音等のランダム雑音の影響を十分に低減できなかった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来、非冷却型赤外線センサにおいては、画素出力部に発生する信号電圧レベルが低いため、増幅トランジスタを用いて十分に増幅する必要があるが、増幅トランジスタのゲートには揺らぎ成分が存在しており、増幅ゲインを上げた場合には蓄積容量に現れる揺らぎも大きくなる。このため、ゲインを犠牲にして、外部回路での処理への負荷を低減せざるを得なかった。そして、ゲインを十分に大きくできないために、増幅読み出し回路における電流ショット雑音や１／ｆ雑音等のランダム雑音の影響を十分に低減できないという問題があった。
【００１４】
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、増幅トランジスタのゲートに現れる揺らぎの影響を低減することができ、低雑音・高感度・ワイドダイナミックレンジの非冷却型赤外線センサ及びその駆動方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
（構成）
上記課題を解決するために本発明は次のような構成を採用している。
【００１６】
即ち本発明は、赤外線センサにおいて、半導体基板上に入射赤外線を検出する赤外線検出画素が二次元的に配列された撮像領域と、この撮像領域内に行方向に配置された複数の行選択線と、前記撮像領域内に列方向に配置された複数の信号線と、これらの信号線に発生した信号電圧によりそれぞれ変調される複数の増幅トランジスタと、これらの増幅トランジスタのドレインにそれぞれ接続され該トランジスタからの信号電荷を蓄積する複数の蓄積容量と、前記各増幅トランジスタのドレイン電位をそれぞれリセットする複数のリセット手段と、前記各蓄積容量に保持された信号電荷をそれぞれ読み出す複数の読み出し手段と、前記各信号線と前記増幅トランジスタのゲートとの間にそれぞれ設けられた複数の結合容量と、前記各増幅トランジスタのドレインとゲートとの間にそれぞれ設けられた複数のサンプリングトランジスタとを具備してなることを特徴とする。
【００１７】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては次のものがあげられる。
【００１８】
(1) 赤外線検出画素は、半導体基板上に入射赤外線を吸収し熱に変換するための赤外線吸収手段と、赤外線吸収手段で発生した熱による温度変化を電気信号に変換するための熱電変換手段と、熱電変換手段からの画素出力信号を読み出す画素を選択する画素選択手段と、画素選択手段により選択された赤外線検出画素からの画素出力信号を出力するための出力手段とから構成される。
【００１９】
(2) 半導体基板は、単結晶シリコン支持基板上に酸化シリコン層を介してＳＯＩ単結晶シリコン層を積層形成してなるＳＯＩ基板であり、熱電変換手段は、第１導電型のＳＯＩ単結晶シリコン層内部に第２導電型領域を設けることで形成された単結晶シリコンｐｎ接合であり、ＳＯＩ基板内部に形成された中空構造上に中空支持されている。
【００２０】
(3) 撮像領域には、入射赤外線によって画素出力信号が変化せず、入射赤外線に対して感度を有さない無感度画素が行方向に配列された無感度画素列が、少なくとも１行配置されている。
【００２１】
(4) 無感度画素は、熱電変換手段が半導体基板と熱分離されないことにより無感度化されている。
【００２２】
(5) 読み出し手段から時系列で得られる第１の行出力情報群を保持する記憶保持手段と、記憶保持手段に保持された第１の行出力情報群に基づき、第１の出力情報群を得た行とは異なる行を選択した結果として得られる第２の行出力情報群を補正する補正手段とを備えている。
【００２３】
また本発明は、上記構成の赤外線センサを駆動するための駆動方法において、１フレーム期間内で前記行選択線により前記赤外線検出画素を選択していない非選択期間においては、該非選択期間中の第１の期間において、前記リセット手段をオフすることで前記増幅トランジスタのドレイン電位をリセットされていない状態とし、前記サンプルトランジスタをオンすることで該トランジスタのドレインとゲートを接続して同一電位とし、前記非選択期間内の第１の期間を除いた第２の期間において、前記サンプルトランジスタをオフすることで該トランジスタのドレインとゲートを分離し、前記増幅トランジスタのゲートには第１の期間における該トランジスタのドレイン電位を保持し、１フレーム期間内で前記赤外線検出画素を前記行選択線により選択している選択期間、及び前記読み出し手段により信号電圧を読み出す期間においては、前記サンプルトランジスタをオフ状態に保持することを特徴とする。
【００２４】
さらに別の駆動方法として、１フレーム期間内で前記行選択線により赤外線検出画素を選択していない非選択期間においては、該非選択期間内の第１の期間において、前記リセット手段をオフすることで前記増幅トランジスタのドレイン電位をリセットされていない状態とし、前記サンプルトランジスタをオンすることで前記増幅トランジスタのドレインとゲートを接続して同一電位とし、前記増幅トランジスタのソースに第１のソース電圧を印加し、非選択期間内の第１の期間を除いた第２の期間において、前記サンプルトランジスタをオフすることで前記増幅トランジスタのドレインとゲートを分離し、前記増幅トランジスタのゲートには第１の期間における該トランジスタのドレイン電圧を保持し、１フレーム期間内で前記行選択線により前記赤外線検出画素を選択している行選択期間においては、前記サンプルトランジスタほオフ状態に保持した上で、前記増幅トランジスタのソースに第１のソース電圧と異なる第２のソース電圧を印加し、１フレーム期間内で前記読み出し手段により信号電圧を読み出す期間においては、前記サンプルトランジスタをオフ状態に保持した上で、前記増幅トランジスタのソースに第１のソース電圧を印加することを特徴とする。
【００２５】
また本発明は、赤外線センサにおいて、半導体基板上に入射赤外線を検出する赤外線検出画素が二次元的に配列され、かつ赤外線感度を有さない無感度画素行が少なくとも１行含まれた撮像領域と、この撮像領域内に行方向に配置された複数の行選択線と、前記撮像領域内に列方向に配置された複数の信号線と、これらの信号線に発生した信号電圧によりそれぞれ変調される複数の増幅トランジスタと、これらの増幅トランジスタのドレインにそれぞれ接続され該トランジスタからの信号電荷を蓄積する複数の蓄積容量と、前記各増幅トランジスタのドレイン電位をそれぞれリセットする複数のリセット手段と、前記各蓄積容量に保持された信号電荷をそれぞれ読み出す複数の読み出し手段と、前記各信号線と該信号線に対応する前記増幅トランジスタのゲートとの間にそれぞれ設けられた複数の結合容量と、前記各増幅トランジスタのドレインとゲートとの間にそれぞれ設けられた複数のサンプリングトランジスタとを具備してなることを特徴とする。
【００２６】
また本発明は、上記構成の赤外線センサを駆動するための駆動方法において、１フレーム期間内で前記行選択線により前記無感度画素行を選択している第１の選択期間においては、該第１の選択期間内の第１の期間において、前記リセット手段をオフすることで前記増幅トランジスタのドレイン電位をリセットされていない状態とし、前記サンプルトランジスタをオンすることで前記増幅トランジスタのドレインとゲートを接続して同一電位とし、前記増幅トランジスタのソースに第１のソース電圧を印加し、第１の選択期間内の第１の期間を除いた第２の期間において、前記サンプルトランジスタをオフすることで前記増幅トランジスタのドレインとゲートを分離し、前記増幅トランジスタのゲートには第１の期間における該トランジスタのドレイン電位を保持し、１フレーム期間内で前記行選択線により前記有感度画素行を選択している第２の選択期間においては、前記サンプルトランジスタをオフ状態に保持した上で、前記増幅トランジスタのソースに第１のソース電圧とは異なる第２のソース電圧を印加し、１フレーム期間内で前記行選択線により前記前記読み出し手段により信号電圧を読み出す期間においては、前記サンプルトランジスタをオフ状態に保持した上で、前記増幅トランジスタのソースに第１のソース電圧を印加することを特徴とする。
【００２７】
さらに、別の駆動方法として、
１フレーム期間内で前記行選択線により前記無感度画素行を選択している第１の選択期間においては、該第１の選択期間内の第１の期間において、前記リセット手段をオフすることで前記増幅トランジスタのドレイン電位をリセットされていない状態とし、前記サンプルトランジスタをオンすることで前記増幅トランジスタのドレインとゲートを接続して同一電位とし、前記増幅トランジスタのソースに第１のソース電圧を印加し、第１の選択期間内の第１の期間を除いた第２の期間において、前記サンプルトランジスタをオフすることで前記増幅トランジスタのドレインとゲートを分離し、前記増幅トランジスタのゲートには第１の期間における該トランジスタのドレイン電位を保持し、第１の選択期間内の第１の期間及び第２の期間を除いた第３の期間においては、前記増幅トランジスタのソースに第１のソース電圧を印加し、１フレーム内で前記行選択線により前記赤外線検出画素を選択している行選択期間においては、前記サンプルトランジスタをオフ状態に保持した上で、前記増幅トランジスタのソースに第１のソース電圧と異なる第２のソース電圧を印加し、１フレーム内で前記読み出し手段により信号電圧を読み出す期間においては、前記サンプルトランジスタをオフ状態に保持した上で、前記増幅トランジスタのソースに第１のソース電圧を印加することを特徴とする。
【００２８】
また本発明は、赤外線センサにおいて、半導体基板上に入射赤外線を検出する赤外線検出画素が二次元的に配列され、かつ赤外線感度を有さない無感度画素行が少なくとも１行含まれた撮像領域と、この撮像領域内に行方向に配置された複数の行選択線と、前記撮像領域内に列方向に配置された複数の信号線と、これらの信号線に発生した信号電圧によりそれぞれ変調される複数の増幅トランジスタと、これらの増幅トランジスタのドレインにそれぞれ接続され該トランジスタからの信号電荷を蓄積する複数の蓄積容量と、前記各増幅トランジスタのドレイン電位をそれぞれリセットする複数のリセット手段と、前記各蓄積容量に保持された信号電荷をそれぞれ読み出す複数の読み出し手段と、前記各信号線と該信号線に対応する前記増幅トランジスタのゲートとの間にそれぞれ設けられた複数の結合容量と、前記増幅トランジスタのドレインとゲートとの間にそれぞれ設けられた複数のサンプリングトランジスタと、前記読み出し手段から時系列で得られる第１の行出力情報群を保持する記憶保持手段と、該記憶保持手段に保持された第１の行出力情報群に基づき、第１の行出力情報群を得た行とは異なる行を選択した結果として得られる第２の行出力情報群を補正する補正手段とを具備してなることを特徴とする。
【００２９】
また本発明は、赤外線センサにおいて、半導体基板上に入射赤外線を検出する赤外線検出画素が二次元的に配列され、かつ赤外線感度を有さない無感度画素行が少なくとも２行含まれた撮像領域と、この撮像領域内に行方向に配置された複数の行選択線と、前記撮像領域内に列方向に配置された複数の信号線と、これらの信号線に発生した信号電圧によりそれぞれ変調される複数の増幅トランジスタと、これらの増幅トランジスタのドレインにそれぞれ接続され該トランジスタからの信号電荷を蓄積する複数の蓄積容量と、前記各増幅トランジスタのドレイン電圧をそれぞれリセットする複数のリセット手段と、前記各蓄積容量に保持された信号電荷をそれぞれ読み出す複数の読み出し手段と、前記各信号線と該信号線に対応する前記増幅トランジスタのゲートとの間にそれぞれ設けられた複数の結合容量と、前記増幅トランジスタのドレインとゲートとの間にそれぞれ設けられた複数のサンプリングトランジスタとを具備してなることを特徴とする。
【００３０】
また本発明は、上記構成の赤外線センサを駆動するための駆動方法において、１フレーム期間内で前記行選択線により第１の無感度画素行を選択している第１の選択期間においては、該第１の選択期間内の第１の期間において、前記リセット手段をオフすることで前記増幅トランジスタのドレイン電位をリセットされていない状態とし、前記サンプルトランジスタをオンすることで前記増幅トランジスタのドレインとゲートを接続して同一電位とし、前記増幅トランジスタのソースに第１のソース電圧を印加し、第１の選択期間内の第１の期間を除いた第２の期間において、前記サンプルトランジスタをオフすることで前記増幅トランジスタのドレインとゲートを分離し、前記増幅トランジスタゲートには第１の期間における該トランジスタのドレイン電位を保持し、１フレーム期間内で前記行選択線により第１の無感度画素行と異なる第２の無感度画素行を選択している第２の選択期間、及び前記行選択線により有感度画素行を選択している第３の選択期間においては、前記サンプルトランジスタをオフ状態に保持した上で、前記増幅トランジスタのソースに第１のソース電圧と異なる第２のソース電圧を印加し、１フレーム期間内で前記読み出し手段により信号電圧を読み出す期間においては、前記サンプルトランジスタをオフ状態に保持した上で、前記増幅トランジスタのソースに第１のソース電圧を印加することを特徴とする。
【００３１】
また本発明は、赤外線センサにおいて、半導体基板上に入射赤外線を検出する赤外線検出画素が二次元的に配列され、かつ赤外線感度を有する有感度画素行の複数行と共に赤外線感度を有さない無感度画素行が少なくとも１行含まれた撮像領域と、この撮像領域内に行方向に配置された複数の行選択線と、前記撮像領域内に列方向に配置された複数の信号線と、これらの信号線の各々と第１結合容量を介してそれぞれ接続される複数の増幅トランジスタと、これらの増幅トランジスタのドレインとゲートとの間にそれぞれ設けられた複数のサンプリングトランジスタと、前記各増幅トランジスタのドレインと第２結合容量を介してそれぞれ接続された複数の第１の蓄積容量と、前記各増幅トランジスタのドレイン電位をそれぞれリセットする複数のリセット手段と、前記各第１の蓄積容量の電圧をそれぞれクランプする複数の第１のクランプ手段と、前記各第１の蓄積容量に保持された信号電荷をそれぞれ読み出すための複数の読み出し手段とを具備してなることを特徴とする。
【００３２】
ここで、前記各第１の蓄積容量と転送トランジスタを介してそれぞれ接続された複数の第２の蓄積容量と、前記各第２の蓄積容量の電圧をそれぞれリセットする複数の第２のリセット手段とを備え、前記各第２の蓄積容量に転送された信号電荷がそれぞれ前記複数の読み出し手段により読み出されることが望ましい。
【００３３】
また本発明は、上記構成の赤外線センサを駆動するための駆動方法において、前記赤外線検出画素の検出信号を行単位に読み出す期間を水平走査期間とし、毎回の水平走査期間の水平ブランキング期間中に、前記リセット手段をオフした状態で前記サンプリングトランジスタをオンすることで前記増幅トランジスタの閾値情報サンプリング動作を行い、次に前記行選択線により選択された前記無感度画素行の増幅読み出し動作を行い、次に前記行選択線により選択された有感度画素行の増幅読み出し動作を行い、前記無感度画素行の読み出し期間においては前記クランプ手段により前記蓄積容量の電圧を所定の電圧にクランプし、前記有感度画素行の増幅読み出し期間においては前記クランプ手段をオフ状態に保持し、該有感度画素行の増幅読み出し期間の終了時点においては前記蓄積容量に前記無感度画素出力と前記有感度画素出力との差分出力を蓄積し、該差分出力を前記読み出し手段を介して順次読み出し、かつ１フレーム内の各走査期間毎に有感度画素行を異ならせることを特徴とする。
【００３４】
また本発明は、赤外線センサにおいて、半導体基板上に入射赤外線を検出する赤外線検出画素が二次元的に配列され、かつ赤外線感度を有する有感度画素行の複数行と共に赤外線感度を有さない無感度画素行が少なくとも１行含まれた撮像領域と、この撮像領域内に行方向に配置された複数の行選択線と、前記撮像領域内に列方向に配置された複数の信号線と、これらの信号線の各々と第１結合容量を介してそれぞれ接続された複数の増幅トランジスタと、これらの増幅トランジスタのドレインとゲートとの間にそれぞれ設けられた複数の第１サンプリングトランジスタと、前記各増幅トランジスタのドレインと第２結合容量を介してそれぞれ接続された複数の第１蓄積容量と、前記各増幅トランジスタのドレイン電位をそれぞれリセットする複数のリセット手段と、第１蓄積容量の電圧をそれぞれクランプする複数のクランプ手段と、第１蓄積容量と第２サンプリングトランジスタを介してそれぞれ接続された複数の第２蓄積容量と、第２蓄積容量に保持された各々の信号電圧を読み出すための複数の水平選択読み出し手段とを具備してなることを特徴とする。
【００３５】
また本発明は、上記構成の赤外線センサを駆動するための駆動方法において、前記赤外線検出画素の検出信号を行単位に読み出す期間を水平走査期間とし、第１水平走査期間中に、前記リセット手段をオフした状態で前記サンプリングトランジスタをオンすることで前記増幅トランジスタの閾値情報サンプリング動作を行い、次に前記行選択線により選択された無感度画素行の増幅読み出し動作を行い、次に前記行選択線により選択された有感度画素行の増幅読み出し動作を行い、前記無感度画素行の増幅読み出し期間においては、前記クランプ手段により第１蓄積容量の電圧を所定の電圧にクランプし、前記有感度画素行の増幅読み出し期間においては、前記クランプ手段をオフ状態に保持し、該有感度画素行の増幅読み出し期間の終了時点においては第１蓄積容量に無感度画素行の出力と有感度画素行の出力の差分出力を蓄積し、次に第２サンプリングトランジスタをオンすることで、第１蓄積容量に蓄積された差分出力を第２蓄積容量に転送し、第１水平走査期間の終了後、第１水平走査期間に続く第２水平走査期間において、前記読み出し手段を介して順次読み出されるまで信号電荷を保持し、該第２水平走査期間においては、第２サンプリングトランジスタをオフした状態で第１水平走査期間と同じ動作を繰り返し実行することを特徴とする。
【００３６】
（作用）
本発明によれば、列毎に異なる増幅トランジスタの閾値がばらつくことによって発生する、列毎の電圧ゲインのばらつきを無くすために、画素出力が発生する信号線と増幅トランジスタのゲートとの間に結合容量を設けてＤＣ的に分離し、さらにフレーム毎に列毎の増幅トランジスタの閾値情報を増幅トランジスタのゲートに与えているので、列毎の閾値ばらつきの影響は無くなり、この閾値ばらつきに起因する蓄積容量の電圧スイングを確保するために必要な蓄積容量の動作電圧領域のマージン設定が不要となる。このため、ゲート変調積分回路のゲインを大きく設計することが可能となり、高感度な非冷却型赤外線センサを得ることができる。また、同じ理由で、蓄積容量電位をフルに利用できるようになり、広ダイナミックレンジな非冷却型赤外線センサを得ることができる。
【００３７】
また本発明によれば、負荷ＭＯＳトランジスタの閾値の情報を含んだ無感度画素選択時の無感度画素電圧が信号線に発生しているタイミングで、列毎の増幅ＭＯＳトランジスタの閾値情報と同時に、列毎の負荷ＭＯＳトランジスタの閾値情報サンプリングを行うことにより、増幅トランジスタの閾値のばらつきを補正すると同時に動作点ばらつきを補正しているので、列毎の負荷ＭＯＳトランジスタの閾値ばらつきの影響を無くすことができ、蓄積容量の電圧スイングを確保するために必要な蓄積容量の動作電圧領域のマージン設定が不要となる。このため、ゲート変調積分回路のゲインを大きく設計することが可能となり、高感度な非冷却型赤外線センサを得ることができる。また、同じ理由で、蓄積容量電位をフルに利用できるようになり、広ダイナミックレンジな非冷却型赤外線センサを得ることができる。
【００３８】
さらに本発明によれば、リセット雑音を含む無感度画素行の１行分の無感度画素出力情報群を１フレーム期間保持する手段を有しているので、結合容量のリセット雑音がフレーム内で一定であるということから、同一フレーム内でのリセット雑音成分除去が可能であり、結合容量に起因するランダム雑音の影響なく、高感度化することが可能である。ここで、読み出し手段から時系列で得られる第１の行出力情報群を保持する記憶保持手段と、保持された第１の行出力情報群に基づいて第２の行出力情報群を補正する補正手段を設けることにより、リセット雑音成分の除去をより有効に行うことができる。
【００３９】
また本発明によれば、増幅トランジスタの閾値情報のサンプリングは、水平走査期間毎に行うので、上記閾値情報は水平走査期間に相当する期間に保持されればよい。従って、上記の保持電圧に対して上記結合容量及び結合容量に接続されているトランジスタ等のリーク電流が影響する時間は、フレーム期間から水平走査期間に大幅に短縮される。よって、製造プロセスの変動等により上記リーク電流が設計値より増加しても、その影響によって垂直シェーディング等の特性不良が発生する可能性が大幅に低下するので、安定に製造可能となり、従って高い製造歩留まりを得ることができる。
【００４０】
さらに本発明によれば、毎水平走査期間内に、増幅トランジスタの閾値情報サンプリング動作と、無感度画素出力信号の増幅読み出し動作と、選択画素出力信号の増幅読み出し動作と、無感度画素出力信号と選択画素出力信号との差分処理動作を行うことが可能である。従って、増幅トランジスタの閾値情報サンプリング動作に伴って結合容量に発生するランダム雑音であるリセット雑音成分は、上記の差分処理において除去されることになり、外部回路或いはオンチップ回路において、上記のランダム雑音情報をフレーム期間保持する記憶保持回路、及びこの記憶保持回路に保持されたランダム雑音情報に基づいて出力信号を補正する補正回路は不要となり、素子構造及び素子駆動を大幅に簡略化することができる。
【００４１】
また本発明によれば、水平走査期間内に無感度画素出力信号と選択画素出力信号との差分処理動作を行うことができるので、信号帯域の低周波側に帯域制限がかかる。従って、低周波数側で高雑音となる増幅トランジスタの１／ｆ雑音や、信号線に接続される定電流源として用いられる負荷ＭＯＳトランジスタの１／ｆ雑音を大幅に低減可能となる。さらに、差分処理動作回路と水平読み出し回路との間に１水平走査期間の記憶保持回路を設けることで、水平走査期間の大部分を占める水平有効期間に撮像信号の増幅読み出しを行うことが可能となる。このため、信号周波数帯域の高周波数側について帯域制限をかけることになり、さらに低雑音化できる。また、このような構造と駆動によって、センサチップ内の単体素子のリーク電流や、ＭＯＳ界面トラップ密度に対する仕様を大幅に緩和できることになるので、製造工程のばらつきによらず安定に製造が可能である。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【００４３】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる赤外線センサの全体構成を示す回路図である。図では、説明を簡単にするために２行２列の２×２画素構成を示しているが、より多数行，多数列のｍ×ｎ画素構成に適用できるのは勿論のことである。
【００４４】
入射赤外線を電気信号に変換する赤外線検出画素１が半導体基板上に２次元的に配置されて撮像領域３を構成している。撮像領域３の内部には、複数本の行選択線４（４−１，４−２）と複数本の垂直信号線５（５−１，５−２）が配置されている。
【００４５】
画素選択のために、行選択回路４０と水平アドレス回路６が撮像領域３の行方向と列方向に各々隣接配置され、行選択回路４０には行選択線４が接続され、水平アドレス回路６には水平選択線７（７−１，７−２）が接続されている。画素出力電圧を得るための低電流源として、各列の垂直信号線５には負荷ＭＯＳトランジスタ８（８−１，８−２）が接続されている。負荷ＭＯＳトランジスタ８のソースには基板電圧Ｖｓが印加されている。
【００４６】
行選択回路４０により選択された行選択線４には電源電圧Ｖｄが印加され、行選択回路４０により選択されない行選択線にはＶｓが印加される。その結果、選択された行の赤外線検出画素１内部のｐｎ接合が順バイアスとなりバイアス電流が流れ、画素内部のｐｎ接合の温度と順バイアス電流とにより動作点が決まり、各列の垂直信号線５に画素信号出力電圧が発生する。このとき、行選択回路４０によって選択されない画素１のｐｎ接合は逆バイアスとなる。即ち、画素内部のｐｎ接合は画素選択の機能を持っている。
【００４７】
垂直信号線５に発生する電圧は、極めて低電圧であり、被写体の温度変化ｄＴｓと画素温度変化ｄＴｄとの比として５×１０-3を仮定し、この値と画素のｐｎ接合が８個のｐｎ接合を直列接続した場合の熱電変換感度ｄＶ／ｄＴｄ＝１０［ｍＶ／Ｋ］とにより、ｄＴｓ＝０．１［Ｋ］のときには僅かに５［μＶ］であることが分かる。従って、この被写体温度差を認識するためには、垂直信号線５に発生する雑音を５［μＶ］以下にすることが必要になる。この雑音の値は、ＭＯＳ型の可視光イメージセンサであるＣＭＯＳセンサの雑音の約１／８０と、非常に低い。
【００４８】
この低電圧の信号電圧を増幅するために、列毎に増幅読み出し回路９が配置されており、各列の増幅トランジスタ１０のゲートと各列の垂直信号線５とは、結合容量１１により容量結合している。この結合容量１１により、垂直信号線５と増幅読み出し回路９とはＤＣ的に分離される。
【００４９】
増幅トランジスタ１０のドレイン側には、電流増幅した信号電流を積分し蓄積するための蓄積容量１２が接続されている。信号電流を積分する蓄積時間は、行選択回路４０により行選択線４に印加される行選択パルスにより決定される。蓄積容量１２には、該蓄積容量１２の電圧をリセットするためのリセットトランジスタ１３が接続され、水平選択トランジスタ１４による信号電圧の読み出しが完了した後にリセット動作を行うようになっている。
【００５０】
増幅トランジスタ１０のドレインは、サンプルトランジスタ１５を介して増幅トランジスタ１０のゲートに接続されており、サンプルトランジスタ１５をオンすることにより、増幅トランジスタ１０のゲートとドレインが同電位となる。
【００５１】
図２は、本実施形態の赤外線センサにおける赤外線検出画素の断面構造（ａ）と平面構造（ｂ）とを説明するための概略構成図である。熱電変換のためのｐｎ接合を含むセンサ部１６は、単結晶シリコン支持基板１７の内部に形成された中空構造１８の上に形成された、赤外線吸収層２２と、熱電変換のために形成されたＳＯＩ層１９内部のｐｎ接合と、このＳＯＩ層１９を支持している埋め込みシリコン酸化膜層２０とから成る。また、このセンサ部１６を中空構造１８上に支持すると共にセンサ部１６からの電気信号を出力するために支持部２１が設けられ、センサ部１６と垂直信号線５及び行選択線４とを接続する接続部（不図示）が設けられている。
【００５２】
このように、センサ部１６及び支持部２１が中空構造１８上に設けられることにより、入射赤外線によるセンサ部１６の温度の変調を効率良く行う構造になっている。なお、図２では、ｐｎ接合が２個直列接続される場合の構造を示している。
【００５３】
図３は、本実施形態の動作を説明するためのタイミングチャートであり、図１に示した２行２列からなる４画素の場合の駆動タイミングチャートである。タイミングチャートに記さない負荷ＭＯＳトランジスタ８のソース電位と増幅トランジスタ１０のソース電位は何れも基板電位を与えており、リセットトランジスタ１３のドレイン電圧には電源電圧を与えている。
【００５４】
行選択１行目の行選択線４−１が選択される期間１０１の前に、行選択回路４０が行選択を行わない非選択期間１００があり、ここで増幅トランジスタ１０の閾値情報を取得し保存する動作を行う。この非選択期間１００においては、垂直信号線５の電圧は負荷ＭＯＳトランジスタ８のソース電圧と等しくなるので基板電位になる。
【００５５】
まず、リセットトランジスタ１３をオンして蓄積容量１２の電圧Ｖc1，Ｖc2をリセットする。次に、非選択期間１００においてサンプルトランジスタ（ＳＭＰ）１５をオンして、増幅トランジスタ１０のゲートに電源電圧にリセットされた増幅トランジスタ１０のドレイン電圧を与える。そのため、増幅トランジスタ１０はオンされドレイン電流が流れる。このドレイン電流によりドレイン電圧Ｖｃは低下して増幅トランジスタ１０のコンダクタンス低下させ、ドレイン電流が流れない状態のゲート電圧がドレイン電圧Ｖｃに取得される。この電圧が各列毎の増幅トランジスタ１０の閾値電圧である。
【００５６】
増幅トランジスタ１０の閾値情報がドレイン電圧Ｖｃに読み出された後にサンプルトランジスタ１５をオフすることで、閾値情報は結合容量１１に保持されることになる。この閾値情報の読み出しは、フレーム期間内に一度行うものであるので、第１行の行選択に先立ち行い、第２行目以降の行選択前には行わず、以降は第１行選択前に保持された閾値情報をそのまま使用する。次に、第１行の選択に先立ちリセットトランジスタ１３をオンして閾値電圧が読み出されたドレイン電圧Ｖｃをリセットする。
【００５７】
第１行の選択期間１０１においては、第１行選択線４−１に行選択パルスＶ１が印加され、負荷ＭＯＳトランジスタ８〜垂直信号線５〜第１行の画素１〜第１行選択線４−１〜行選択回路４０の電流パスを、負荷ＭＯＳトランジスタ８により決定されるバイアス電流が流れる。このバイアス電流と画素１の熱電変換手段であるｐｎ接合の温度とにより画素１の動作点が決まり、画素１の温度により変化する画素出力電圧が各列の垂直信号線５に発生する。そして、垂直信号線５の電圧が基板電圧から画素出力電圧に変化する。
【００５８】
この垂直信号線５の電圧変化は、結合容量１１によるカップリングで増幅トランジスタ１０のゲート電圧を変化させる。従って、増幅トランジスタ１０のゲート電圧は、非選択期間１００において保持された増幅トランジスタ１０の閾値情報に画素出力電圧変化情報が加わったものとなる。その結果、増幅トランジスタ１０がオンされ垂直信号線電圧に応じたドレイン電流が流れ、蓄積容量１２で第１行選択期間１０１の期間、電流が積分されドレイン電圧Ｖｃが変化する。このとき、増幅トランジスタ１０のドレイン電流を支配するゲート電圧は、保持された閾値電圧からのシフト量により決定されるので、列毎にばらつく閾値の影響を受けない。
【００５９】
選択期間１０１に続く水平読み出し期間１０２に、水平選択回路６により水平読み出しトランジスタ１４が順次選択されドレイン電圧Ｖc1，Ｖc2が時系列で出力線２４に読み出される。第２行以降の動作は、サンプルトランジスタ１５の動作がないこと以外は、第１行での動作と同様であり、行選択期間のドレイン電流を積分し、順次読み出す。
【００６０】
本実施形態によれば、各列毎に異なる増幅トランジスタ１０の閾値情報は、非選択期間１００における閾値読み出し動作により増幅トランジスタ１０のゲートに接続される結合容量１１に保持されているので、画素選択期間１０１に行われる電流積分動作においては増幅トランジスタ１０の閾値のばらつきの影響がなくなり、垂直信号線５に発生する画素出力電圧のみでドレイン電流が決定される。
【００６１】
従って、ドレイン電流積分による増幅読み出し回路９の動作において、垂直信号線５に発生するμＶオーダーの画素信号電圧よりも、遙かに高レベルである３０ｍＶ程度の閾値ばらつきによる蓄積容量１２の飽和を防止するためのマージンを設計することが不要となる。その結果として、高い電圧ゲインを得ることが可能となり、増幅読み出し回路９以降における雑音の影響を大幅に低減できるので、低雑音，高感度，ワイドダイナミックレンジの赤外線センサを得ることができる。
【００６２】
本実施形態における、増幅読み出し回路９の動作は、負荷ＭＯＳトランジスタ８のソース電圧、行選択回路４０の選択パルス電圧、増幅トランジスタ１０のソース電圧、リセットトランジスタ１３のドレイン電圧により、ゲインや飽和等の動作を最適化することが可能である。
【００６３】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係わる赤外線センサの駆動方法を説明するためのタイミングチャートである。
【００６４】
本実施形態におけるセンサ構成は第１の実施形態で用いた図１、２と同一であり、タイミングチャートも第１の実施形態における図３とほぼ同一であるが、本実施形態におけるタイミングチャート（図４）においては増幅トランジスタ１０のソース電圧ＳＳをパルス駆動している。即ち、非選択期間１００における増幅トランジスタ１０の閾値情報取得動作時に、トランジスタ１０のソースＳＳにパルス電圧を印加している。
【００６５】
このような駆動によれば、画素選択時の画素１を含むバイアス電流が流れる経路の動作点を変化することなく、増幅読み出し動作時の増幅トランジスタ１０のゲート・ソース間電圧を調整可能となり、増幅読み出し回路９の動作点調整が容易になり、より最適な状態での動作を行うことが可能である。従って、より低雑音，高感度，ワイドダイナミックレンジの赤外線センサを得ることができる。
【００６６】
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係わる赤外線センサの全体構成を示す回路図であり、図１に示したセンサ構成図を簡略表記した上で、５行５列の２５画素の構成を示している。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００６７】
行選択回路４０により選択された行選択線４に行選択パルスが印加され、選択された行にある画素１には負荷ＭＯＳトランジスタによる低電流回路８０から供給されるバイアス電流が垂直信号線５を介して流れ、バイアス電流と画素１の温度により決まる画素ｐｎ接合の動作点に応じた画素出力電圧が垂直信号線５に発生する。垂直信号線５は、結合容量１１とサンプルトランジスタ１５からなる閾値保持回路１１０を介して増幅読み出し回路９０に接続されており、増幅読み出し回路９０内で増幅された１行分の信号電圧情報群は、水平選択回路６により選択される水平読み出し回路７０から出力端Ｖout に順次読み出される。
【００６８】
本実施形態においては、撮像領域内部に赤外線感度を有さない無感度画素２が１行配置された無感度画素行２００が配置されており、行選択回路４０は、通常の画素１と同様な行選択手段で無感度画素２を選択することができる。
【００６９】
図６は、無感度画素２の構造の一例を示す断面構造図（ａ）及び表面構造図（ｂ）である。前記図２に示した通常の画素の構造と比較して明らかなように、支持基板１７内部に中空構造１８が形成されていないことを除けば、通常の画素１と同一の構造であり、電気的構造は同一である。しかし、中空構造１８を形成していないため、入射赤外線が赤外線吸収層２２で吸収されて発生した熱は支持基板１７に伝導されてしまう。つまり、赤外線が入射してもセンサ部１６の温度は変化しないことになるので、結果的に赤外線に対して感度を有さない無感度画素となる。
【００７０】
図５に示すように、無感度画素行２００を撮像領域３内に含むセンサを図３に示したタイミングチャートで駆動することによって、無感度画素行２００の出力情報が得られる。この無感度画素行２００の出力を得ることにより、さらに低雑音化することが可能となる。即ち、増幅トランジスタ１０の閾値情報を結合容量１１に保持する際に、結合容量１１には結合容量１１のリセット雑音が発生するが、このリセット雑音は、閾値情報が１フレーム期間保持されるためにフレーム期間内では各列で一定である。従って、無感度画素行２００の信号を読み出し、外部回路により通常の画素出力との差分を得られるような信号処理を行うことで除去可能となるので、無感度画素行２００を設けることによって、より低雑音で高感度な赤外線センサを得ることができる。
【００７１】
このリセット雑音は、結合容量値をＣｃとした場合に、ボルツマン定数をｋ、素子の絶対温度をＴとして、（ｋＴ／Ｃｃ）1/2 で表現され、Ｃｃ＝１ｐＦの場合は約６０μＶにもなる。この値は、増幅トランジスタ１０の閾値ばらつきの値（約３０ｍＶ）の１／１００以下であるので、増幅読み出し回路９における動作マージンを設定する必要はない。また、フレーム内での縦筋状の固定パターン雑音として発生するが、フレーム内での相関を利用して、無感度画素出力との差分をとることで除去可能になるので、雑音の増加を招くことは無い。
【００７２】
また、図７に示すように、１行分の出力情報群を保持する記憶回路３０１を設けて、保持した行とは異なる行からの出力を、記憶回路３０１に保持した出力情報群によって補正する補正回路３０２をチップ内に含むセンサ構造によって、チップ上での処理を行うことも可能である。
【００７３】
（第４の実施形態）
図８は、本発明の第４の実施形態に係わる赤外線センサの駆動方法を説明するためのタイミングチャートであり、１行目に無感度画素行を含む、２行２列の素子の駆動例を示している。
【００７４】
本実施形態におけるセンサ構成は第３の実施形態で用いた図５と同一である。なお、図８では説明を簡単にするために２行２列の例を示しているが、５行５列の場合も同様に適用できるのは勿論のことである。
【００７５】
本実施形態においては、増幅トランジスタ１０の閾値情報読み取りを、非選択期間ではなく、無感度画素行の選択期間１０３に行っている。無感度画素行２００を選択している期間１０３で閾値情報を読み取るために、この期間１０３において増幅トランジスタソースＳＳにパルス電圧を印加している。なお、無感度画素行の選択期間１０３に読み取られた閾値情報は、これに続く水平読み出し期間１０４で水平選択回路６により水平読み出しトランジスタ１４を順次選択することにより出力線２４に読み出される。
【００７６】
このように本実施形態では、増幅トランジスタソースに印加するパルス電圧によって、結合容量１１に読み出される閾値情報に付加されるオフセット電圧を調整可能であり、従って増幅読み出し回路９の動作点を調整することが可能である。無感度画素行２００を選択している期間１０３に閾値情報を読み取る動作を行うことで、増幅トランジスタ１０の閾値情報のみならず、定電流源である負荷ＭＯＳトランジスタ８の閾値情報を同時に読み出すことになるので、増幅読み出し回路９のゲインをさらに大きく設定可能となるので、より低雑音，高感度，ワイドダイナミックレンジな赤外線センサを得ることができる。
【００７７】
（第５の実施形態）
図９は、本発明の第５の実施形態に係わる赤外線センサの駆動方法を説明するためのタイミングチャートである。この図では、１行目に無感度画素行がある２行３列の画素構成の駆動を示している。
【００７８】
本実施形態においては、行選択回路４０が無感度画素行２００を２回選択しており、１回目の行選択期間１０３において閾値情報の読み取りを行い、２回目の行選択期間１０５において無感度画素出力を得ている。さらに、選択期間１０３に読み取られた閾値情報はこれに続く水平読み出し期間１０４で読み出され、選択期間１０５に読み取られた無感度画素出力はこれに続く水平読み出し期間１０６で読み出される。
【００７９】
このように図９のタイミングによれば、無感度画素行を１行設けるだけの構造で、無感度画素による閾値読み取り動作と、無感度画素出力の読み取りを行うことが可能である。そして、閾値読み取りにより増幅トランジスタ１０のしきい値のばらつきの影響を無くすことができ、無感度画素出力の読み取りに加え、先に説明した外部回路による通常画素出力との差分をとることにより、結合容量１１のリセット雑音を無くすことができる。
【００８０】
（第６の実施形態）
図１０は、本発明の第６の実施形態に係わる赤外線センサの全体構成を示す回路図であり、図１に示したセンサ構成図を簡略表記した上で、５行５列の２５画素の構成を示している。第３の実施形態で説明した図５の構成と基本的には同じであるが、本実施形態では無感度画素２が２行設けられている。
【００８１】
図１０のセンサの駆動方法は、図１１のタイミングチャートに示す通りであり、第１行目の無感度画素行を選択する期間１０３で閾値情報の読み取りを行い、第２行目の無感度画素行を選択する期間１０５で無感度画素出力を得ている。増幅トランジスタ１０のソースには、閾値情報の読み出し期間１０３には高電圧が印加され、画素出力信号の増幅読み出し期間１０５、１０１には低電圧が印加される。
【００８２】
本実施形態によれば、第５の実施形態と同様に、無感度画素による閾値読み取り動作と無感度画素出力の読み取りを行うことが可能となり、増幅トランジスタ１０のしきい値のばらつきの影響を無くすことができ、結合容量１１のリセット雑音を無くすことができる。これに加え、行選択回路４０には単純なシフトレジスタ回路を用いることが可能であるので、周辺回路の設計が容易である。
【００８３】
（第７の実施形態）
前記図７に示した構成例では、保持された閾値情報に基づく出力信号を、１フレーム期間保持する記憶保持手段３０１や、この保持記憶された情報に基づいて、有効出力信号を補正するための補正手段３０２が必要である。さらに、結合容量１１に閾値情報を１フレーム期間保持するために、結合容量１１及び結合容量１１に接続されたトランジスタ等のリーク電流の影響を受けやすい。従って、これらのリーク電流が大きい場合には、保持された閾値情報が１フレーム期間内に変化してしまい、出力画像に縦方向のシェーディングが発生する可能性もある。そこで、以下の実施形態ではこれを解決している。
【００８４】
図１２は、本発明の第７の実施形態に係わる赤外線センサの全体構成を示す回路図であり、３行２列の３×２画素構成を示している。なお、図１と同一部部には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。また、図では説明を簡単にするために２行２列の３×２画素構成を示しているが、より多数行，多数列のｍ×ｎ画素構成に適用できるのは勿論のことである。
【００８５】
図１２の上方の２行には赤外線検出画素１が配列され、図１２の下方の１行には無感度画素２が配列され無感度画素行２００が構成されている。撮像領域３には、入射赤外線を電気信号に変換する赤外線検出画素１が２次元的に配置された領域と、上記の無感度画素２が行方向に配列された無感度画素行２００とが存在している。
【００８６】
赤外線検出画素１の構造例は前記図２と同様である。また、無感度画素２の構造例は前記図６と同様である。なお、図１２においては、無感度画素行２００を図１２の下部側の行に配置しているが、必要に応じて、図１２の上部側の行に配置する等の構成も可能である。また、無感度画素行２００は少なくとも１行分配置することが必要であるが、さらに必要に応じて２行以上配置することも可能である。
【００８７】
撮像領域３内部には、行選択線４（４−１，４−２，４−３）と垂直信号線５（５−１，５−２）が配置されている。行選択線４は、行選択のための回路である行選択回路４０に接続され、行選択駆動される。垂直信号線５には、赤外線検出画素１及び無感度画素２からの信号読み出しのためのバイアス電流を供給するための定電流源が接続されている。
【００８８】
垂直信号線５と増幅トランジスタ１０（１０−１，１０−２）の各々のゲートとの間に第１の結合容量１１が配置され、増幅トランジスタ１０のゲート・ドレイン間にサンプリングトランジスタ１５を配置し、増幅トランジスタ１０の閾値電圧ばらつきに起因する問題を図１の構成と同様に回避している。しかし、図１２の構成においては、増幅読み出しの回路以降の構成が異なっている。増幅トランジスタ１０のドレインは、各列に配置される積分トランジスタ（ＩＮＴ）３２を介して第２結合容量３３に接続されている。第２結合容量３３の他端には蓄積容量３０が接続されていると共に、クランプトランジスタ（ＣＬ）３１が接続されている。蓄積容量３０に蓄積，保持された信号電圧は、水平選択回路６によって、順次水平読み出しトランジスタ６（６−１，６−２）を介して、出力部Ｖout に時系列で読み出される。
【００８９】
図１２の構成によって、毎水平走査期間内に増幅トランジスタの閾値電圧情報のサンプリングを行い、結合容量１１に閾値電圧情報が保持される期間が、水平走査期間に短縮することが可能となり、結合容量１１及びそれに接続されるサンプリングトランジスタ１５等のリーク電流の影響を大幅に低減可能となる。
【００９０】
例えば、結合容量１１における閾値電圧保持期間がフレーム期間であるという図１の構成では、上述のリーク電流の影響により垂直シェーディングが発生する可能性がある。さらに、製造プロセスの変動等により、上述のリーク電流が増大してしまった場合には、さらに大きい垂直シェーディング問題が発生したり、或いはある行以降において撮像不能となる可能性があり、特性上の安定性及び製造上の安定性に課題がある。
【００９１】
一方、本実施形態によれば、閾値電圧を毎水平走査期間にサンプリングしているので、上述のような垂直シェーディングは本質的に発生しない。さらに、閾値電圧の保持時間が、フレーム期間から水平走査期間に大幅に短縮されているので、リーク電流に対する仕様は大幅に緩和されることになり、製造上の安定性が大幅に向上し、安定的に製造が可能となる。
【００９２】
さらに、図１２の構成によれば、毎水平走査期間内に赤外線検出画素１からの出力電圧と、無感度画素２からの出力電圧の差分処理を行うことが可能となる。この差分処理によって、得られる効果は、以下の二つの雑音低減効果と、その各々と関連して得られる製造歩留まり向上効果である。一つは、上記の増幅トランジスタ１０の閾値電圧情報のサンプリングにおいて発生する、結合容量１１のリセット雑音を、列増幅読み出し回路内部で除去できるということである。この結合容量１１におけるリセット雑音を見積もると、以下のようになる。
【００９３】
リセット雑音電圧Ｖｎは、Ｖｎ＝（ｋＴ／Ｃ）1/2 で表現される。但し、ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度である。従って、結合容量値として１ｐＦを仮定すれば、結合容量に発生するリセット雑音は約６０μＶにもなってしまう。これは、前述した赤外線感度の見積もり結果を適用すると、被写体温度換算で１．２［℃］にもなる、非常に大きい雑音成分である。従って、高感度のセンサを実現するためには、何らかの手段によって、この結合容量のリセット雑音を除去することが不可欠である。このリセット雑音を除去するための素子構成例の一つが前記図７である。
【００９４】
次に、本実施形態の赤外線センサを駆動するタイミングチャートの例を図１３に示し、図１３のタイミングチャートに沿って、図１２の赤外線センサの動作を説明する。水平ブランキング期間３０１における動作は、増幅トランジスタ１０の閾値サンプリング動作（図１３、期間ａ）、無感度画素２からの信号読み出し動作（図１３、期間ｂ）、そして、赤外線検出画素１からの信号読み出し動作（図１３、期間ｃ）である。
【００９５】
まず、行選択回路４０による行選択を行わない非選択状態として、全ての行選択線４はオフされている。従って、前述のように、垂直信号線５には、負荷ＭＯＳトランジスタ８のソース電圧として印加している基板電位Ｖｓが発生する。そして、サンプリングトランジスタ１５及びリセットトランジスタ１４をオンにする。この動作により、増幅トランジスタ１０のゲートとドレインは同電圧となり、リセットトランジスタ１５によりリセットされ、増幅トランジスタ１０はいずれもオン状態になる。
【００９６】
次に、リセットトランジスタ１５をオフにすることで、増幅トランジスタ１０のドレイン電圧及びゲート電圧は各々のドレイン電流により低下し、各々のドレイン電流がゼロになった状態に収束する。このときの、各々の増幅トランジスタ１０のドレイン電圧及びゲート電圧が、各々の増幅トランジスタ１０の閾値電圧である。その後、サンプリングトランジスタ１５をオフとすることで、増幅トランジスタ１０のゲートとドレインは分離され、以後、サンプリングされた各々の閾値電圧は、列毎の第１結合容量１１に保持されることになる。
【００９７】
次に、リセットトランジスタ１４と積分トランジスタ３２とクランプトランジスタ３１をオンする。このとき、増幅トランジスタ１０のドレイン電圧及び第２結合容量３３の電圧はリセットされ、蓄積容量３０の電圧Ｖcsが所望の電圧に固定される。
【００９８】
次に、リセットトランジスタ１４をオフにして、ゲート変調積分回路による増幅読み出しを開始する。行選択回路４０により行選択線４−３に電源電圧Ｖｄを印加し、無感度画素行２００を行選択する。このとき、負荷ＭＯＳトランジスタ８から垂直信号線５を介して無感度画素行２００の無感度画素２が順バイアスされ、負荷ＭＯＳトランジスタ８により決定される順バイアス電流と、半導体基板１７の温度とにより無感度画素２内部のｐｎ接合の動作点が決まり、垂直信号線５に無感度画素出力が発生する。垂直信号線５に発生した電圧変化は、結合容量１１を介して増幅トランジスタ１０のゲート電圧変化を変調し、増幅トランジスタ１０をオン状態としてドレイン電流が流れ、第２結合容量３３に蓄積される。
【００９９】
次に、行選択回路４０による行選択線４−３の選択をオフにすることで、増幅トランジスタ１０はオフし、ゲート変調積分読み出し動作が完了し、無感度画素２の信号出力が第２結合容量３３に蓄積される。そして、クランプトランジスタ３１をオフにした後に、リセットトランジスタ１４をオンし、増幅トランジスタ１０のドレイン電圧及び第２結合容量３３の電圧をリセットし、再度リセットトランジスタ１４をオフにする。
【０１００】
行選択回路４０により、行選択線４−１に電源電圧が印加され、第１行の赤外線検出画素が選択される。このとき、負荷ＭＯＳトランジスタ８から垂直信号線５を介して選択された第１行の赤外線検出画素１が順バイアスされ、負荷ＭＯＳトランジスタ８により決定される順バイアス電流と、赤外線検出画素１内部のセンサ部１６の温度とにより赤外線検出画素１内部のｐｎ接合の動作点が決まり、垂直信号線５に第１行の赤外線検出画素出力が発生する。行選択回路４０により第１行が選択される期間（図１３、期間ｃ）、前述の無感度画素行選択期間（図１３、期間ｂ）と同様な動作により、赤外線検出画素出力によるゲート変調積分読み出し動作が行われ、そのドレイン電流は第２結合容量３３に信号電荷として蓄積される。このとき、クランプトランジスタ３１はオフとなっているので、上記の赤外線検出画素による信号電荷の発生により蓄積容量３０の電圧Ｖcsは変調される。
【０１０１】
最後に積分トランジスタ３２をオフすることで、第１行に関する水平ブランキング期間の動作が完了する。このとき、蓄積容量３０には、クランプトランジスタ３１のオン動作により固定されたクランプ電圧を基準に、無感度画素２からの出力と赤外線検出画素１からの出力の差分により変調された電圧Ｖcsが保持されている。
【０１０２】
次に、水平有効期間３００では、水平選択回路６により水平読み出しトランジスタ７が順次オンされ、時系列で出力線２４に出力信号が読み出される。続く、水平ブランキング期間３０２においては、前述した水平ブランキング期間３０１における動作と基本的に同一であり、行選択回路４０により選択される行選択線が第１行の行選択線４−１ではなく、第２行の行選択線４−２であることを除けば、同じ動作を行う。さらに、水平ブランキング期間３０２に続く水平有効期間３００では、第１行の信号読み出しと同等に、水平選択回路６により水平読み出しトランジスタ６が順次オンされ、時系列で出力線２４に出力信号が読み出される。
【０１０３】
以上のような動作によれば、前述の通り、毎水平走査期間において増幅トランジスタ１０の閾値サンプリングを行うことが可能となり、低雑音であると共に製造工程の変動への耐性が高く、製造歩留まりが高い赤外線センサを実現できる。しかも、前記図７に示した構成例とは異なり、記憶保持手段３０１や補正手段３０２等の外部回路を設ける必要もなくオンチップで実現することができるため、赤外線センサシステムを低コスト化できる。
【０１０４】
図１２の実施形態を駆動するためのタイミングチャートは、図１３以外にもバリエーションがあるが、ここでは、増幅トランジスタ１０のソース電圧をパルス駆動する例について、図１４を用いて説明する。図１４と図１３とは、基本的には同様の動作を行うものであり、大部分タイミングチャートは同一である。図１４には、図１３ではＤＣ駆動であった、増幅トランジスタソースＳＳの電圧をパルス駆動している。また、それにシンクロしたタイミングで無感度画素行２００の行選択線４−３にもパルスが追加されている。図１４での動作は、基本的に図１３と同一であるので、同一の部分についての説明は省略する。
【０１０５】
図１４の駆動は、水平ブランキング期間３０１の初期（図１４、期間ａ）における、増幅トランジスタ１０の閾値電圧サンプリング動作においてソースＳＳにパルス電圧Ｖｓを印加し、それと同時に無感度行２００の選択を行うために行選択線４−３もオンとしている。この動作においては、増幅トランジスタ１０のソースＳＳが基板電圧Ｖｓより高い電圧に設定されるために、サンプリングされる閾値電圧は増幅トランジスタ１０のソースＳＳがＶｓの時の値となり、図１３の動作よりも高い閾値電圧がサンプリングされることになる。その後の、無感度画素行２００の選択からゲート変調積分読み出し動作、及び赤外線検出画素の選択からゲート変調積分読み出し動作においては、ソースＳＳは基板電圧Ｖｓに設定される。
【０１０６】
図１４の駆動によれば、増幅トランジスタ１０の動作点調整の調整対象が増加し、より最適な状態での素子動作が可能となり、その結果として、さらに高感度特性を得ることが可能となる。即ち、図１３の駆動において、増幅トランジスタ１０の動作点を決定するのは、行選択回路４０によって行選択線４に印加される電源電圧Ｖｄによって決定されてしまう。ところが、行選択回路４０によって印加する電源電圧Ｖｄは、赤外線検出画素１の感度にも影響を及ぼすので、必ずしも増幅トランジスタ１０の動作の最適化だけのための調整を行うことができない。従って、増幅トランジスタ１０の増幅率を最適にできない場合があり、最高の感度を得ることができない。
【０１０７】
なお、図１３、１４では、はじめに無感度画素２からの信号出力を読み出し、それに続き赤外線検出画素１からの信号出力を読み出すタイミングチャートを例示したが、逆に赤外線検出画素１からの信号読み出しを行ってから、無感度画素２からの信号読み出しを行うことももちろん可能である。さらに、図１３、１４では、赤外線検出画素２と無感度画素１との出力信号を差分処理するためのタイミングチャートを例示しているが、異なる行の赤外線検出画素からの出力同士の差分処理を行うことも可能である。その場合には、これまで述べてきた効果の他に、例えば隣接行間の差分処理を行うことが可能となり、垂直方向に限定されるものの、いわゆるエッジ検出を行うことも可能となる。
【０１０８】
（第８の実施形態）
図１５は、本発明の第８の実施形態を説明するための赤外線センサの構成図である。３×２画素構成を示しており、図１５の上方の２行には赤外線検出画素１が配列され、図１５の下方の１行には無感度画素２が配列され無感度画素行２００が構成されている。
【０１０９】
撮像領域３には、入射赤外線を電気信号に変換する赤外線検出画素１が２次元的に配置された領域と、上記の無感度画素２が行方向に配列された無感度画素行２００とが存在している。赤外線検出画素１及び無感度画素２の構造は、各々図２、図６に例示したものと同様である。図１５の構成の基本部分は、第７の実施形態である図１２と同一であるのでその説明を省略し、ここでは第７の実施形態との差異を中心に説明する。
【０１１０】
撮像領域３及びその周辺回路構成、垂直信号線５−１，５−２から第１結合容量１１を介して接続されるゲート変調積分読み出し回路の構成、及び２回の信号読み出し結果を差分処理する回路については、図１２と同一の構成になっている。本実施形態においては、差分処理後の信号電圧を保持する第１蓄積容量３０と、水平読み出しトランジスタ１４との間に、さらに一段のサンプルホールド回路を設けた構成となっている。
【０１１１】
即ち、第１蓄積容量３０に保持された信号電圧は、転送トランジスタ４２を介して、第２蓄積容量４３に接続されており、水平読み出しトランジスタは１４は、第２蓄積容量４３に蓄積された信号を順次読み出す構造となっている。第２蓄積容量４３の電圧を初期化するために、第２蓄積容量４３には第２リセットトランジスタ４４が接続されている。第１蓄積容量３０と、第２蓄積容量４３とを転送トランジスタ４２で分離することで、信号電圧を第２蓄積容量４３に保持した状態で、第１蓄積容量３０を使用して行うゲート変調積分読み出し動作を行うことが可能となる。
【０１１２】
図１５の本実施形態による赤外線センサを駆動するためのタイミングチャートの一例を図１６に示し、その動作と効果について、以下説明する。
【０１１３】
本実施形態においては、第７の実施形態では水平ブランキング期間１０１、１０２で行っていた撮像信号の読み出し動作を、有効期間１００に行うことが異なっている。初めの有効期間１００において、図１３における水平ブランキング期間での動作と同様な動作を行うことで、各水平走査期間毎の増幅トランジスタ１０の閾値電圧サンプリング動作（図１６、期間ａ）、第１蓄積容量３０の電圧を固定した状態での無感度画素２からの暗信号のゲート増幅積分読み出し動作（図１６、期間ｂ）、そして差分処理のためのクランプトランジスタ３１をオフにした後に行う、選択行の赤外線検出画素１からの光信号のゲート増幅積分読み出し動作（図１６、期間ｃ）を行う。この結果、第１蓄積容量３０には、増幅トランジスタ１０の閾値のばらつきの影響が排除され、さらに低周波数での帯域制限が行われた結果として負荷ＭＯＳトランジスタ８及び増幅トランジスタ１０の１／ｆ雑音が低下した状態での低雑音な信号電圧が保持される。
【０１１４】
この間、転送トランジスタ４２はオフされており、水平読み出しトランジスタ１４は第１蓄積トランジスタ３０と分離されている。水平選択回路６からの水平選択パルスにより、水平読み出しトランジスタ１４が順次選択されるが、出力部２４には、リセット信号が出力される。
【０１１５】
本実施形態における水平ブランキング期間１０１での動作は、第１蓄積容量３０に蓄積されていた信号電圧を、第２蓄積容量４３に転送するという動作のみである（図１６、期間ｄ）。まず、第２リセットトランジスタ４４をオンして、第２蓄積容量４３の電圧をリセットし、再度第２リセットトランジスタ４４をオフする。次に、転送トランジスタ４２をオンして、第１蓄積容量３０に保持された信号電荷を第２蓄積容量４３に転送し、再度転送トランジスタ４２をオフする。この水平ブランキング期間１０１において、第２蓄積容量４３に転送された信号電圧は、次の有効期間において順次読み出されることになる（図１６、期間ｅ）。
【０１１６】
本実施形態によれば、無感度画素２からのゲート変調積分読み出し動作、及び赤外線検出画素１からのゲート変調積分読み出し動作を、水平走査期間の大部分を占める有効期間内に動作することが可能となる。即ち、上述のゲート変調積分読み出し動作を支配する行選択パルスの幅を、大幅に拡大できることになる。その結果、信号周波数帯域の高周波側における帯域制限が可能となり、ランダム雑音を低減可能となるので、さらに低雑音の赤外線センサを得ることができる。勿論、第７の実施形態の効果である、信号周波数帯域の低周側での帯域制限による、負荷ＭＯＳトランジスタ及び増幅トランジスタにおいて発生する１／ｆ雑音の低減効果や、毎水平走査期間に閾値電圧をサンプリングすることによる垂直シェーディング防止効果や、差分処理動作による、第１結合容量１１で発生する高レベルのリセット雑音の除去効果は、本実施形態においても同様に得られる。
【０１１７】
また、これらの特長によって、製造工程の変動への耐性が向上しているので、第７の実施形態と同様に、製造工程の変動があっても、高い歩留まりで安定に製造可能であるという効果も得られる。
【０１１８】
図１５に示した赤外線センサを駆動するためのタイミングチャートは、図１６以外にもバリエーションがあるが、ここでは、増幅トランジスタ１０のソース電圧をパルス駆動する例について、図１７を用いて説明する。図１７と図１６とは基本的には同様の動作を行うものであり、大部分タイミングチャートは同一である。図１７には、図１６ではＤＣ駆動であった、増幅トランジスタ１０のソースＳＳの電位をパルス駆動している。また、それにシンクロしたタイミングで無感度行２００の行選択線４−３にもパルスが追加されている。
【０１１９】
図１７での動作は、基本的に図１６と同一であるので、同一の部分についての説明は省略する。図１７の駆動は、有効期間１００の初期（図１７、期間ａ）における、増幅トランジスタ１０の閾値電圧サンプリング動作において増幅トランジスタ１０のソースＳＳにパルス電圧Ｖｓを印加し、それと同時に無感度行２００の選択を行うために行選択線４−３もオンとしている。この動作においては、増幅トランジスタ１０のソースＳＳが基板電圧Ｖｓより高い電圧に設定されるために、サンプリングされる閾値電圧は増幅トランジスタ１０のソースＳＳがＶｓの時の値となり、図１６の動作よりも高い閾値電圧がサンプリングされることになる。その後の、無感度画素行の選択からゲート変調積分読み出し動作、及び赤外線検出画素の選択からゲート変調積分読み出し動作においては、ソースＳＳは基板電圧Ｖｓに設定される。
【０１２０】
図１７の駆動によれば、増幅トランジスタ１０の動作点調整の調整対象が増加し、より最適な状態での素子動作が可能となり、その結果として、さらに高感度特性を得ることが可能となる。即ち、図１６の駆動において、増幅トランジスタ１０の動作点を決定するのは、行選択回路４０によって行選択線４に印加される電源電圧Ｖｄによって決定されてしまう。ところが、行選択回路４０によって印加する電源電圧Ｖｄは、赤外線検出画素１の感度にも影響を及ぼすので、必ずしも増幅トランジスタ１０の動作の最適化だけのための調整を行うことができない。従って、増幅トランジスタ１０の増幅率を最適にできない場合があり、最高の感度を得ることができない。
【０１２１】
なお、図１６、１７では、初めに無感度画素２からの信号出力を読み出し、それに続き赤外線検出画素１からの信号出力を読み出すタイミングチャートを例示したが、逆に赤外線検出画素１からの信号読み出しを行ってから、無感度画素２からの信号読み出しを行うことも勿論可能である。さらに、図１６、１７では、赤外線検出画素２と無感度画素１との出力信号を差分処理するためのタイミングチャートを例示しているが、異なる行の赤外線検出画素からの出力同士の差分処理を行うことも可能である。その場合には、これまで述べてきた効果の他に、例えば隣接行間の差分処理を行うことが可能となり、垂直方向に限定されるものの、いわゆるエッジ検出を行うことも可能となる。
【０１２２】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。画素構成は実施形態に示したもの以外にｍ×ｎの各種の画素構成に適用できる。赤外線検出画素は図２の構造に何ら限定されるものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。具体的には、半導体基板上に入射赤外線を吸収し熱に変換するための赤外線吸収手段と、赤外線吸収手段で発生した熱による温度変化を電気信号に変換するための熱電変換手段と、熱電変換手段からの画素出力信号を読み出す画素を選択する画素選択手段と、画素選択手段により選択された赤外線検出画素からの画素出力信号を出力するための出力手段とを有するものであればよい。また、赤外線を直接電気信号に変換できる素子を使用することも可能である。
【０１２３】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することが可能である。
【０１２４】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、画素出力が発生する信号線と増幅トランジスタのゲートとの間に結合容量を設けてＤＣ的に分離し、増幅トランジスタのドレインとゲートとの間にサンプリングトランジスタを設け、フレーム毎に列毎の増幅トランジスタの閾値情報を増幅トランジスタのゲートに与えるようにしているので、閾値ばらつきに起因する蓄積容量の電圧スイングを確保するために必要な蓄積容量の動作電圧領域のマージン設定が不要となる。従って、ゲート変調積分回路のゲインを大きく設計することが可能となり、感度の向上をはかることができる。また同じ理由で、蓄積容量電位をフルに利用できるようになり、ダイナミックレンジの拡大をはかることができる。これにより、低雑音，高感度，ワイドダイナミックレンジの非冷却赤外線センサを実現することが可能となる。また、製造工程の変動への耐性が向上するので、高い製造歩留まりで、安定に製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係わる赤外線センサの全体構成を示す回路図。
【図２】第１の実施形態に用いた赤外線検出画素の断面構造と平面構造を示す図。
【図３】第１実施形態に係わる赤外線センサの駆動方法を説明するためのタイミングチャート。
【図４】第２の実施形態に係わる赤外線センサの駆動方法を説明するためのタイミングチャート。
【図５】第３の実施形態に係わる赤外線センサの全体構成を示す回路図。
【図６】第３の実施形態に用いた無感度画素の断面構造と平面構造を示す図。
【図７】第３の実施形態の変形例を示す図。
【図８】第４実施形態に係わる赤外線センサの駆動方法を説明するためのタイミングチャート。
【図９】第５の実施形態に係わる赤外線センサの駆動方法を説明するためのタイミングチャート。
【図１０】第６の実施形態に係わる赤外線センサの全体構成を示す回路図。
【図１１】第６の実施形態に係わる赤外線センサの駆動方法を説明するためのタイミングチャート。
【図１２】第７の実施形態に係わる赤外線センサの全体構成を示す回路図。
【図１３】第７の実施形態に係わる赤外線センサの駆動方法を説明するためのタイミングチャート。
【図１４】第７の実施形態に係わる赤外線センサの駆動方法を説明するためのタイミングチャート。
【図１５】第８の実施形態に係わる赤外線センサの全体構成を示す回路図。
【図１６】第８の実施形態に係わる赤外線センサの駆動方法を説明するためのタイミングチャート。
【図１７】第８の実施形態に係わる赤外線センサの駆動方法を説明するためのタイミングチャート。
【符号の説明】
１…赤外線検出画素
２…無感度画素
３…撮像領域
４…行選択線
４０…行選択回路
５…垂直信号線
６…水平選択回路
７…水平選択線
７０…水平読み出し回路
８…負荷ＭＯＳトランジスタ
８０…定電流回路
９…列増幅読み出し回路
９０…増幅読み出し回路
１０…増幅トランジスタ
１１…結合容量
１１０…閾値保持回路
１２…蓄積容量
１４…リセットトランジスタ
１５…サンプルトランジスタ
１６…センサ部
１７…支持基板
１８…中空構造
１９…ＳＯＩ単結晶シリコン層
２０…埋め込み酸化シリコン層
２１…支持部
２２…赤外線吸収層
２４…出力部
２５…増幅トランジスタソース
１００…非選択期間
１０１，１０３，１０５…行選択期間
１０２，１０４，１０６…水平読み出し期間
２００…無感度画素行
３０１…行出力情報記憶回路
３０２…出力補正回路
Claims (10)
- 半導体基板上に入射赤外線を検出する赤外線検出画素が二次元的に配列された撮像領域と、
この撮像領域内に行方向に配置された複数の行選択線と、
前記撮像領域内に列方向に配置された複数の信号線と、
これらの信号線に発生した信号電圧によりそれぞれ変調される複数の増幅トランジスタと、
これらの増幅トランジスタのドレインにそれぞれ接続され該トランジスタからの信号電荷を蓄積する複数の蓄積容量と、
前記各増幅トランジスタのドレイン電位をそれぞれリセットする複数のリセット手段と、
前記各蓄積容量に保持された信号電荷をそれぞれ読み出す複数の読み出し手段と、
前記各信号線と該信号線に対応する前記増幅トランジスタのゲートとの間にそれぞれ設けられた複数の結合容量と、
前記各増幅トランジスタのドレインとゲートとの間にそれぞれ設けられた複数のサンプリングトランジスタと、
を具備してなることを特徴とする赤外線センサ。 - 請求項１記載の赤外線センサを駆動するための駆動方法であって、
１フレーム期間内で前記行選択線により前記赤外線検出画素を選択していない非選択期間においては、該非選択期間中の第１の期間において、前記リセット手段をオフすることで前記増幅トランジスタのドレイン電位をリセットされていない状態とし、前記サンプルトランジスタをオンすることで前記増幅トランジスタのドレインとゲートを接続して同一電位とし、前記非選択期間内の第１の期間を除いた第２の期間において、前記サンプルトランジスタをオフすることで該トランジスタのドレインとゲートを分離し、前記増幅トランジスタゲートには第１の期間における該トランジスタのドレイン電位を保持し、
１フレーム期間内で前記赤外線検出画素を前記行選択線により選択している選択期間、及び前記読み出し手段により信号電圧を読み出す期間においては、前記サンプルトランジスタをオフ状態に保持することを特徴とする赤外線センサの駆動方法。 - 半導体基板上に入射赤外線を検出する赤外線検出画素が二次元的に配列され、かつ赤外線感度を有さない無感度画素行が少なくとも１行含まれた撮像領域と、
この撮像領域内に行方向に配置された複数の行選択線と、
前記撮像領域内に列方向に配置された複数の信号線と、
これらの信号線に発生した信号電圧によりそれぞれ変調される複数の増幅トランジスタと、
これらの増幅トランジスタのドレインにそれぞれ接続され該トランジスタからの信号電荷を蓄積する複数の蓄積容量と、
前記各増幅トランジスタのドレイン電位をそれぞれリセットする複数のリセット手段と、
前記各蓄積容量に保持された信号電荷をそれぞれ読み出す複数の読み出し手段と、
前記各信号線と該信号線に対応する前記増幅トランジスタのゲートとの間にそれぞれ設けられた複数の結合容量と、
前記各増幅トランジスタのドレインとゲートとの間にそれぞれ設けられた複数のサンプリングトランジスタと、
を具備してなることを特徴とする赤外線センサ。 - 請求項３記載の赤外線センサを駆動するための駆動方法であって、
１フレーム期間内で前記行選択線により前記無感度画素行を選択している第１の選択期間においては、該第１の選択期間内の第１の期間において、前記リセット手段をオフすることで前記増幅トランジスタのドレイン電位をリセットされていない状態とし、前記サンプルトランジスタをオンすることで前記増幅トランジスタのドレインとゲートを接続して同一電位とし、前記増幅トランジスタのソースに第１のソース電圧を印加し、第１の選択期間内の第１の期間を除いた第２の期間において、前記サンプルトランジスタをオフすることで前記増幅トランジスタのドレインとゲートを分離し、前記増幅トランジスタのゲートには第１の期間における該トランジスタのドレイン電位を保持し、
１フレーム期間内で前記行選択線により前記有感度画素行を選択している第２の選択期間においては、前記サンプルトランジスタをオフ状態に保持した上で、前記増幅トランジスタのソースに第１のソース電圧とは異なる第２のソース電圧を印加し、
１フレーム期間内で前記行選択線により前記読み出し手段により信号電圧を読み出す期間においては、前記サンプルトランジスタをオフ状態に保持した上で、前記増幅トランジスタのソースに第１のソース電圧を印加することを特徴とする赤外線センサの駆動方法。 - 半導体基板上に入射赤外線を検出する赤外線検出画素が二次元的に配列され、かつ赤外線感度を有さない無感度画素行が少なくとも１行含まれた撮像領域と、
この撮像領域内に行方向に配置された複数の行選択線と、
前記撮像領域内に列方向に配置された複数の信号線と、
これらの信号線に発生した信号電圧によりそれぞれ変調される複数の増幅トランジスタと、
これらの増幅トランジスタのドレインにそれぞれ接続され該トランジスタからの信号電荷を蓄積する複数の蓄積容量と、
前記各増幅トランジスタのドレイン電位をそれぞれリセットする複数のリセット手段と、
前記各蓄積容量に保持された信号電荷をそれぞれ読み出す複数の読み出し手段と、
前記各信号線と該信号線に対応する前記増幅トランジスタのゲートとの間にそれぞれ設けられた複数の結合容量と、
前記増幅トランジスタのドレインとゲートとの間にそれぞれ設けられた複数のサンプリングトランジスタと、
前記読み出し手段から時系列で得られる第１の行出力情報群を保持する記憶保持手段と、
該記憶保持手段に保持された第１の行出力情報群に基づき、第１の行出力情報群を得た行とは異なる行を選択した結果として得られる第２の行出力情報群を補正する補正手段と、
を具備してなることを特徴とする赤外線センサ。 - 半導体基板上に入射赤外線を検出する赤外線検出画素が二次元的に配列され、かつ赤外線感度を有さない無感度画素行が少なくとも２行含まれた撮像領域と、
この撮像領域内に行方向に配置された複数の行選択線と、
前記撮像領域内に列方向に配置された複数の信号線と、
これらの信号線に発生した信号電圧によりそれぞれ変調される複数の増幅トランジスタと、
これらの増幅トランジスタのドレインにそれぞれ接続され該トランジスタからの信号電荷を蓄積する複数の蓄積容量と、
前記各増幅トランジスタのドレイン電圧をそれぞれリセットする複数のリセット手段と、
前記各蓄積容量に保持された信号電荷をそれぞれ読み出す複数の読み出し手段と、
前記各信号線と該信号線に対応する前記増幅トランジスタのゲートとの間にそれぞれ設けられた複数の結合容量と、
前記増幅トランジスタのドレインとゲートとの間にそれぞれ設けられた複数のサンプリングトランジスタと、
を具備してなることを特徴とする赤外線センサ。 - 請求項６記載の赤外線センサを駆動するための駆動方法であって、
１フレーム期間内で前記行選択線により第１の無感度画素行を選択している第１の選択期間においては、該第１の選択期間内の第１の期間において、前記リセット手段をオフすることで前記増幅トランジスタのドレイン電位をリセットされていない状態とし、前記サンプルトランジスタをオンすることで前記増幅トランジスタのドレインとゲートを接続して同一電位とし、前記増幅トランジスタのソースに第１のソース電圧を印加し、第１の選択期間内の第１の期間を除いた第２の期間において、前記サンプルトランジスタをオフすることで前記増幅トランジスタのドレインとゲートを分離し、前記増幅トランジスタゲートには第１の期間における該トランジスタのドレイン電位を保持し、
１フレーム期間内で前記行選択線により第１の無感度画素行と異なる第２の無感度画素行を選択している第２の選択期間、及び前記行選択線により有感度画素行を選択している第３の選択期間においては、前記サンプルトランジスタをオフ状態に保持した上で、前記増幅トランジスタのソースに第１のソース電圧と異なる第２のソース電圧を印加し、
１フレーム期間内で前記読み出し手段により信号電圧を読み出す期間においては、前記サンプルトランジスタをオフ状態に保持した上で、前記増幅トランジスタのソースに第１のソース電圧を印加することを特徴とする赤外線センサの駆動方法。 - 半導体基板上に入射赤外線を検出する赤外線検出画素が二次元的に配列され、かつ赤外線感度を有する有感度画素行の複数行と共に赤外線感度を有さない無感度画素行が少なくとも１行含まれた撮像領域と、
この撮像領域内に行方向に配置された複数の行選択線と、
前記撮像領域内に列方向に配置された複数の信号線と、
これらの信号線の各々と第１結合容量を介してそれぞれ接続される複数の増幅トランジスタと、
これらの増幅トランジスタのドレインとゲートとの間にそれぞれ設けられた複数のサンプリングトランジスタと、
前記各増幅トランジスタのドレインと第２結合容量を介してそれぞれ接続された複数の第１の蓄積容量と、
前記各増幅トランジスタのドレイン電位をそれぞれリセットする複数の第１のリセット手段と、
前記各第１の蓄積容量の電圧をそれぞれクランプする複数のクランプ手段と、
前記各第１の蓄積容量に保持された信号電荷をそれぞれ読み出すための複数の読み出し手段と、
を具備してなることを特徴とする赤外線センサ。 - 前記各第１の蓄積容量と転送トランジスタを介してそれぞれ接続された複数の第２の蓄積容量と、前記各第２の蓄積容量の電圧をそれぞれリセットする複数の第２のリセット手段とを備え、
前記各第２の蓄積容量に転送された信号電荷がそれぞれ前記複数の読み出し手段により読み出されることを特徴とする請求項８記載の赤外線センサ。 - 請求項８記載の赤外センサを駆動するための駆動方法であって、
前記赤外線検出画素の検出信号を行単位に読み出す期間を水平走査期間とし、毎回の水平走査期間の水平ブランキング期間中に、リセット手段をオフした状態で前記サンプリングトランジスタをオンすることで前記増幅トランジスタの閾値情報サンプリング動作を行い、次に前記行選択線により選択された前記無感度画素行の増幅読み出し動作を行い、次に前記行選択線により選択された有感度画素行の増幅読み出し動作を行い、前記無感度画素行の読み出し期間においては前記クランプ手段により前記蓄積容量の電圧を所定の電圧にクランプし、前記有感度画素行の増幅読み出し期間においては前記クランプ手段をオフ状態に保持し、該有感度画素行の増幅読み出し期間の終了時点においては前記蓄積容量に前記無感度画素出力と前記有感度画素出力との差分出力を蓄積し、該差分出力を前記読み出し手段を介して順次読み出し、かつ１フレーム内の各走査期間毎に有感度画素行を異ならせることを特徴とする赤外線センサの駆動方法。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001095301A JP3793033B2 (ja) | 2001-03-29 | 2001-03-29 | 赤外線センサ及びその駆動方法 |
| US10/106,787 US6759657B2 (en) | 2001-03-27 | 2002-03-27 | Infrared sensor |
| US10/726,583 US6770881B2 (en) | 2001-03-27 | 2003-12-04 | Infrared sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001095301A JP3793033B2 (ja) | 2001-03-29 | 2001-03-29 | 赤外線センサ及びその駆動方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002300475A JP2002300475A (ja) | 2002-10-11 |
| JP3793033B2 true JP3793033B2 (ja) | 2006-07-05 |
Family
ID=18949370
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001095301A Expired - Fee Related JP3793033B2 (ja) | 2001-03-27 | 2001-03-29 | 赤外線センサ及びその駆動方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3793033B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2040457A2 (en) | 2007-09-20 | 2009-03-25 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Bolometer type uncooled infrared ray sensor and method for driving the same |
| US8735821B2 (en) | 2009-09-24 | 2014-05-27 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Infrared imaging device and infrared imaging apparatus using it |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4959449B2 (ja) * | 2006-12-27 | 2012-06-20 | 三星モバイルディスプレイ株式會社 | 周辺光感知回路及びこれを有する平板表示装置 |
| JP5259132B2 (ja) * | 2006-12-27 | 2013-08-07 | 三星ディスプレイ株式會社 | 周辺光感知回路及びこれを有する平板表示装置 |
| 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 |
| JP5443793B2 (ja) * | 2009-03-13 | 2014-03-19 | 株式会社東芝 | 赤外線固体撮像素子 |
| JP5443800B2 (ja) * | 2009-03-23 | 2014-03-19 | 株式会社東芝 | 赤外線固体撮像素子 |
| WO2011013197A1 (ja) | 2009-07-28 | 2011-02-03 | 株式会社 東芝 | 赤外線撮像装置 |
| JP5578045B2 (ja) * | 2010-01-26 | 2014-08-27 | セイコーエプソン株式会社 | 検出装置、センサーデバイス及び電子機器 |
| JP7445899B2 (ja) * | 2018-09-14 | 2024-03-08 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 撮像装置および撮像方法 |
| CN114785974A (zh) * | 2022-04-15 | 2022-07-22 | 清华大学 | 采样单元及其操作方法、电子装置和像素单元 |
-
2001
- 2001-03-29 JP JP2001095301A patent/JP3793033B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2040457A2 (en) | 2007-09-20 | 2009-03-25 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Bolometer type uncooled infrared ray sensor and method for driving the same |
| JP2009074898A (ja) * | 2007-09-20 | 2009-04-09 | Toshiba Corp | ボロメータ型非冷却赤外線センサおよびその駆動方法 |
| US7737400B2 (en) | 2007-09-20 | 2010-06-15 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Bolometer type uncooled infrared ray sensor and method for driving the same |
| US8735821B2 (en) | 2009-09-24 | 2014-05-27 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Infrared imaging device and infrared imaging apparatus using it |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2002300475A (ja) | 2002-10-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6759657B2 (en) | Infrared sensor | |
| JP4372097B2 (ja) | 赤外線センサ、赤外線カメラ、赤外線センサの駆動方法および赤外線カメラの駆動方法 | |
| JP3866069B2 (ja) | 赤外線固体撮像装置 | |
| US9106851B2 (en) | Single-exposure high dynamic range CMOS image sensor pixel with internal charge amplifier | |
| JP5127278B2 (ja) | 熱型赤外線固体撮像素子及び赤外線カメラ | |
| JP4362156B2 (ja) | Ｃｍｏｓ領域アレイ・センサのための逐次相関ダブル・サンプリング方式 | |
| US10170514B2 (en) | Image sensor | |
| US8344321B2 (en) | Infrared imaging device | |
| CN107925731B (zh) | 固态成像装置、固态成像装置的驱动方法和电子设备 | |
| US20100230594A1 (en) | Infrared solid-state image sensor | |
| TW201519420A (zh) | 紅外偵測器陣列之緩衝式直接注射像素 | |
| JP3793033B2 (ja) | 赤外線センサ及びその駆動方法 | |
| US20080239105A1 (en) | Sample and hold circuits for cmos imagers | |
| JP3226859B2 (ja) | 撮像装置 | |
| JP2001238132A (ja) | Ｍｏｓ型固体撮像装置及びその撮像方法。 | |
| JP4009598B2 (ja) | 赤外線固体撮像素子 | |
| Gruev et al. | Linear current mode imager with low fix pattern noise | |
| JP3536896B2 (ja) | 固体撮像素子 | |
| WO2012107784A2 (en) | Radiation detector and method | |
| JPH01154678A (ja) | 固体撮像装置 | |
| JP3974902B2 (ja) | 熱型赤外線検出素子 | |
| JP4331160B2 (ja) | 赤外線センサおよびその駆動方法 | |
| JP3657885B2 (ja) | 赤外線センサ装置およびその駆動方法 | |
| JP3648506B2 (ja) | 赤外線撮像装置 | |
| JP3540514B2 (ja) | Ｃｃｄ電荷検出回路 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20060404 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20060406 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100414 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100414 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110414 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130414 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140414 Year of fee payment: 8 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |