(57)【要約】【課題】配線抵抗による負帰還効果を抑制するとともに低ノイズかつ温度感度特性に優れた熱型赤外線検出素子を提供する。【解決手段】熱型赤外線検出素子は、画素ダイオード101と、画素ダイオードの両端電圧を設定する電圧設定回路3000と、画素ダイオードの電流を読み取る電流読み取り回路1104と、参照ダイオード901と、参照ダイオードの両端電圧を設定する参照用電圧設定回路4007と、参照ダイオードの電流を読み取る参照用電流読み取り回路4008とを備える。電圧設定回路は、その出力端子が一端に接続された抵抗素子を有する。電流読み取り回路は画素ダイオードの電流と抵抗素子に流れる電流との差分電流を読み取る。参照用電圧設定回路は、参照ダイオードの電流を参照用電流読み取り回路に供給し、参照用電流読み取り回路の出力はバッファ回路を介して電圧設定回路内の抵抗素子の他端に接続される。【選択図】図１１
2010199702.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
断熱構造と赤外線吸収部を有する画素ダイオードと、
前記第１の配線を介して画素ダイオードの陽極側に一定の電源電圧を供給する第１の電源と、
前記画素ダイオードの両端にかかる電圧を設定する第１の電圧設定回路と、
前記画素ダイオードの陰極側に第２の配線と前記第１の電圧設定回路を介して接続され、画素ダイオードの電流を読み取る第１の電流読み取り回路と、
断熱構造及び／または赤外線吸収部を有しない参照ダイオードと、
第３の配線を介して前記参照ダイオードの陽極に一定の電源電圧を供給する第２の電源と、
前記参照ダイオードの両端にかかる電圧を設定する第２の電圧設定回路と、
前記参照ダイオードの陰極側に第４の配線と前記第２の電圧設定回路を介して接続され、前記参照ダイオードの電流を読み取る第２の電流読み取り回路とを備え、
前記第１の電圧設定回路は、前記第２の配線と前記第１の電圧設定回路の接続点の電圧を、所定の電圧から、前記第１の配線の抵抗と前記第２の配線の抵抗と画素ダイオードの電流により生じる電圧降下を減算した電圧に制御し、
前記第１の電圧設定回路は第１の抵抗素子を有し、前記第１の抵抗素子の一端は前記第１の電圧設定回路の出力端子に接続され、
前記第１の電流読み取り回路は、前記画素ダイオードの電流と前記第１の抵抗素子に流れる電流との差分電流を読み取り、
前記第２の電圧設定回路は、前記第４の配線と前記第２の電圧設定回路の接続点の電圧を、所定の電圧から、前記第３の配線の抵抗と前記第４の配線の抵抗と前記参照ダイオードの電流とにより生じる電圧降下を減算した電圧に制御し、
前記第２の電圧設定回路は、前記参照ダイオードの電流を、前記第２の電流読み取り回路に供給し、
前記第２の電流読み取り回路は電流電圧変換回路で構成され、
前記第２の電流読み取り回路の出力端子はバッファ回路を介して前記第１の抵抗素子の他端に接続される、
ことを特徴とする熱型赤外線検出素子。
【請求項２】
断熱構造と赤外線吸収部を有する画素ダイオードが２次元状に配置され、さらに、少なくとも１列の断熱構造及び／または赤外線吸収部を有しない参照ダイオードの列を含む画素アレイと、
行毎に、画素ダイオードおよび参照ダイオードの陽極を第１の配線抵抗を介して共通接続する駆動線と、
列毎に、画素ダイオードおよび参照ダイオードの陰極を第２の配線抵抗を介して共通接続する信号線と、
前記駆動線に順に電源電圧を印加する垂直走査回路と、
前記画素ダイオードの両端にかかる電圧を設定する第１の電圧設定回路と、
前記参照ダイオードの両端にかかる電圧を設定する第２の電圧設定回路と、
前記信号線の端に前記第１の電圧設定回路を介して接続された第１の電流読み取り回路と、
前記信号線の端に前記第２の電圧設定回路を介して接続された第２の電流読み取り回路と、
前記第１の電流読み取り回路および第２の電流読み取り回路の出力を順に読み出す水平選択回路とを備え、
前記第１の電圧設定回路は、前記信号線と前記第１の電圧設定回路の接続点の電圧を、所定の電圧から、前記第１の配線抵抗と第２の配線抵抗と前記画素ダイオードの電流とにより生ずる電圧降下を減算した電圧に制御し、
前記第２の電圧設定回路は、前記信号線と前記第２の電圧設定回路の接続点の電圧を、所定の電圧から、前記第１と第２の配線抵抗と前記参照ダイオードの電流とにより生ずる電圧降下を減算した電圧に制御し、
前記第１の電圧設定回路は第１の抵抗素子を有し、第１の抵抗素子の一端は前記第１の電圧設定回路の出力端子に接続され、
前記第１の電流読み取り回路は、前記画素ダイオードの電流と第１の抵抗素子に流れる電流の差分電流を読み取り、
前記第２の電圧設定回路は、前記参照ダイオードの電流を前記第２の電流読み取り回路に供給し、
前記第２の電流読み取り回路は電流電圧変換回路であり、前記第２の電流読み取り回路の出力端子はバッファ回路を介して、前記第１の抵抗素子の他端に接続される
ことを特徴とする熱型赤外線検出素子。
【請求項３】
前記第２の電流読み取り回路は第２の抵抗素子を用いて電流電圧変換を行い、
前記第１の抵抗素子の抵抗値と前記第２の抵抗素子の抵抗値が等しくなるよう形成されることを特徴とする請求項１または２記載の熱型赤外線検出素子。
【請求項４】
前記第２の電流読み取り回路の出力電圧と入力電圧とが等しくなるように前記所定の電圧を設定するバイアス電圧決定手段をさらに備えた、ことを特徴とする請求項１または２記載の熱型赤外線検出素子。
【請求項５】
前記第２の電流読み取り回路の出力電圧を基準電圧と比較して、その差に応じて前記所定の電圧を設定するバイアス電圧決定手段をさらに備えた、ことを特徴とする請求項１または２記載の熱型赤外線検出素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射赤外線による温度変化を２次元配列された半導体センサで検出する熱型赤外線検出素子（または熱型赤外線撮像素子ともいう。）に関し、特に、ダイオードを温度センサに用いた熱型赤外線検出素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、入射赤外線による温度変化をアレイ状に配列された半導体センサで検出する熱型赤外線固体撮像素子に関して種々の技術が開発されている。
【０００３】
例えば、特許文献１はダイオードに一定の順方向電圧を与え、ダイオードに流れる電流の温度依存性を利用した熱型赤外線検出素子を開示する。このようなダイオードに一定の順方向電圧を与えて駆動する定電圧駆動方式により、高感度な熱型赤外線検出素子を実現できる。すなわち、ダイオードの順方向電流は電圧に対して指数関数的に増加するので、一定の順方向電流を与えたときの順方向電圧変化を検出するよりも、一定の順方向電圧を与えたときの順方向電流を検出する方が、より大きな変化率が得られるため、高感度な熱型赤外線検出素子を実現できる。同様な考え方の熱型赤外線検出素子は特許文献２〜４にも開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2003-110938号公報
【特許文献２】特開2000-019015号公報
【特許文献３】特開2001-044400号公報
【特許文献４】特開2001-264176号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の熱型赤外線検出素子において、温度センサとして複数のダイオードがアレイ状に配置され、各ダイオードは行選択線と信号線とに接続され、行選択線と信号線により１つの画素から検出結果が読み出される。
【０００６】
ダイオードを定電圧駆動する上で重要な点はいかにダイオードに所定のバイアスを与えるかである。
【０００７】
通常、ダイオードを用いた熱型赤外線検出素子は、熱電変換部を細長い２本の断熱支持脚で支持する中空断熱構造を持つ。熱電変換部にダイオードが組み込まれ、断熱支持脚中にはダイオードへの配線が埋め込まれている。さらに熱電変換部の上面には赤外線吸収部が設けられている。この赤外線吸収部への入射赤外線が変化すると、赤外線吸収部により吸収される赤外線エネルギーが変化し、その変化が断熱構造により熱電変換部の温度変化に変換される。その温度変化を熱電変換部に組み込まれたダイオードを流れる電流の変化で読み出す。このような構成において検出感度を高くするためには、断熱支持脚の熱抵抗を高くする必要がある。さらには、断熱支持脚中に埋め込まれた配線を形成する金属も薄膜化し、細くかつ長くすることが好ましい。このようにすると、配線の電気抵抗が大きくなり、通常数Kから10数KΩにもなる。
【０００８】
以上のような高い配線の電気抵抗の下でダイオードへ所定のバイアスを印加した場合以下の問題がある。
【０００９】
支持脚内の配線と行選択線と信号線の接続点との間に、外部回路から所定のバイアス電圧を与えた場合、熱電変換部の温度が上昇し、ダイオードの電流が増加すると、支持脚内の配線での電圧降下が増加する。このため、ダイオードの順方向電圧が減少し、ダイオードを流れる電流を減少させるように作用する。逆に、熱電変換部の温度が下降し、ダイオードの電流が減少すると、支持脚内の配線での電圧降下が減少する。このため、ダイオードの順方向電圧が増加し、ダイオードの電流を増加させるように作用する。このように、配線抵抗による電圧降下の影響により、ダイオードの電流変化が抑制されるという現象が生じる。すなわち、ダイオードの温度が変化し、ダイオードを流れる電流が変動すると、ダイオードや配線の抵抗に起因する電圧降下の変動によりダイオードにかかる実効的なバイアス電圧が変動し、温度変化に伴うダイオード電流の変化が抑制され、温度検知感度が低下する。以下、このような配線抵抗によりダイオードの電流変化が抑制される効果を「負帰還効果」という。この負帰還効果は、電圧を一定に与えるところからダイオードまでの抵抗に起因するものであり、その抵抗の主因は支持脚内の配線抵抗であるが、行選択線と信号線の抵抗も少なからず寄与している。この負帰還効果により、定電圧駆動方式の特徴である高感度という特性を十分に発揮できないという問題がある。
【００１０】
特許文献１は負帰還効果について、ダイオードの電流を読み出すために電圧に変換する手段、例えば負荷抵抗または容量を接続したときの、その抵抗または容量での電圧変動がダイオードのバイアスに影響を与えることを記載している（特許文献１の[００２１]参照）。特許文献１ではその解決方法として、電圧変換手段を用いて、信号線と電圧変換手段であるカラムトランジスタ群の接続点の電圧を常に一定にする方法を開示している。しかし、この方法では、電圧変換手段であるカラムトランジスタ群までの信号線、選択線、画素内の配線の抵抗による負帰還効果についてはなんら解決できない。
【００１１】
特許文献２は、ダイオードの順方向特性の温度依存性を利用した赤外線検出素子を開示し、具体的には、環境温度が変化したときの電流変化（ドリフト電流）を抑制するようにダイオードのバイアスを可変電圧源にて変化させることを開示する（特許文献２の［００１２］、［００２４］、［００２６］参照）。特許文献２はダイオードのバイアスの変化方法について詳細を開示していないが、例えば環境温度が高くなり、ダイオード電流が増加すると、出力を一定にするためにダイオードバイアスを下げて電流を減少させるものと理解できる。しかし、このような方法では、赤外線光入射時に発生する配線抵抗による負帰還効果は解消されないのは明らかであり、そもそも、負帰還効果に関する課題を認識していない。
【００１２】
特許文献３は、ダイオードの接合面積を広くする構造に関し、読み出し回路については特許文献２と同様の構成を開示する（特許文献３の［００３０］参照）。よって、特許文献３は、特許文献２と同様、赤外線光入射時に発生する配線抵抗による負帰還効果の課題を解消しておらず、また、そもそも負帰還効果に関する課題を認識していない。
【００１３】
特許文献４は、特許文献２と同様、ダイオードに直列にバイアス電圧回路を挿入して、その回路を経由して順方向電流を読み取る温度測定装置もしくは熱型の赤外線イメージセンサを開示する。特許文献４では抵抗による負帰還効果を説明しているが、特許文献４の発明者は電流読出し時に抵抗を接続して出力を上げる抵抗を増加させると、負帰還効果が問題になると指摘している（特許文献４の［０００９］参照）。そして、特許文献１と同じ課題認識で電流読出し部の抵抗にかかわらず正確なバイアスをダイオードに与えるとしている（特許文献４の［００１１］）。特許文献４では、熱型赤外センサへ適用するため、ダイオードの断熱構造を適用すると、バイアス回路は通常、断熱構造がない基板上に形成される。よって断熱構造における支持脚内の配線からバイアス回路まで配線が必要となり、そのバイアス回路までの配線により負帰還効果が生じる。
【００１４】
本発明は、上記課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、配線抵抗による負帰還効果を抑制して高感度な熱型赤外線検出素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため、本発明では、熱型赤外線検出素子において、断熱構造と赤外線吸収部を有するダイオードに流れる電流によらず、ダイオード両端に印加するバイアス電圧を一定値に制御し、そのとき流れるダイオード電流と、抵抗素子により生成した電流の差分電流を、電流読み取り回路にて読み出す。ここで、抵抗素子により生成した電流の差分電流は、断熱構造及び／または赤外線吸収部を有しない参照ダイオードに流れる電流に依存せず、ダイオード両端に印加するバイアス電圧を一定値に制御し、そのとき流れるダイオード電流と等しい電流値になるように制御される。具体的には本発明に係る熱型赤外線検出素子は以下の構成を有する。
【００１６】
本発明に係る第１の熱型赤外線検出素子は、断熱構造と赤外線吸収部を有する画素ダイオードと、第１の配線を介して画素ダイオードの陽極側に一定の電源電圧を供給する第１の電源と、画素ダイオードの両端にかかる電圧を設定する第１の電圧設定回路と、画素ダイオードの陰極側に第２の配線と第１の電圧設定回路を介して接続され、画素ダイオードの電流を読み取る第１の電流読み取り回路と、断熱構造及び／または赤外線吸収部を有しない参照ダイオードと、第３の配線を介して前記参照ダイオードの陽極に一定の電源電圧を供給する第２の電源と、参照ダイオードの両端にかかる電圧を設定する第２の電圧設定回路と、参照ダイオードの陰極側に第４の配線と前記第２の電圧設定回路を介して接続され、参照ダイオードの電流を読み取る第２の電流読み取り回路とを備える。
【００１７】
第１の電圧設定回路は、第２の配線と第１の電圧設定回路の接続点の電圧を、所定の電圧から、第１の配線の抵抗と前記第２の配線の抵抗と画素ダイオードの電流により生じる電圧降下を減算した電圧に制御する。第１の電圧設定回路は第１の抵抗素子を有し、第１の抵抗素子の一端は第１の電圧設定回路の出力端子に接続される。第１の電流読み取り回路は、画素ダイオードの電流と第１の抵抗素子に流れる電流との差分電流を読み取る。第２の電圧設定回路は、前記第４の配線と第２の電圧設定回路の接続点の電圧を、所定の電圧から、第３の配線の抵抗と第４の配線の抵抗と参照ダイオードの電流とにより生じる電圧降下を減算した電圧に制御する。第２の電圧設定回路は、参照ダイオードの電流を、第２の電流読み取り回路に供給する。第２の電流読み取り回路は電流電圧変換回路で構成され、その出力端子はバッファ回路を介して第１の抵抗素子の他端に接続される。
【００１８】
本発明に係る第２の熱型赤外線検出素子は、断熱構造と赤外線吸収部を有する画素ダイオードが２次元状に配置され、さらに、少なくとも１列の断熱構造及び／または赤外線吸収部を有しない参照ダイオードの列を含む画素アレイと、行毎に、画素ダイオードおよび参照ダイオードの陽極を第１の配線抵抗を介して共通接続する駆動線と、列毎に、画素ダイオードおよび参照ダイオードの陰極を第２の配線抵抗を介して共通接続する信号線と、駆動線に順に電源電圧を印加する垂直走査回路と、画素ダイオードの両端にかかる電圧を設定する第１の電圧設定回路と、参照ダイオードの両端にかかる電圧を設定する第２の電圧設定回路と、信号線の端に第１の電圧設定回路を介して接続された第１の電流読み取り回路と、信号線の端に第２の電圧設定回路を介して接続された第２の電流読み取り回路と、第１の電流読み取り回路および第２の電流読み取り回路の出力を順に読み出す水平選択回路とを備える。
【００１９】
第１の電圧設定回路は、信号線と第１の電圧設定回路の接続点の電圧を、所定の電圧から、第１の配線抵抗と第２の配線抵抗と画素ダイオードの電流とにより生ずる電圧降下を減算した電圧に制御する。第２の電圧設定回路は、信号線と第２の電圧設定回路の接続点の電圧を、所定の電圧から、第１と第２の配線抵抗と参照ダイオードの電流とにより生ずる電圧降下を減算した電圧に制御する。第１の電圧設定回路は第１の抵抗素子を有し、第１の抵抗素子の一端は第１の電圧設定回路の出力端子に接続される。第１の電流読み取り回路は、画素ダイオードの電流と第１の抵抗素子に流れる電流の差分電流を読み取る。第２の電圧設定回路は、参照ダイオードの電流を前記第２の電流読み取り回路に供給する。第２の電流読み取り回路は電流電圧変換回路であり、その出力端子はバッファ回路を介して第１の抵抗素子の他端に接続される。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、ダイオードの温度が変化し、電流が変化してもダイオードにかかる電圧は常に電源電圧から所定のバイアス電圧を引いた値となる。このため、配線抵抗による負帰還効果がなくなる。さらに、本発明によれば、断熱構造及び／または赤外線吸収部を有しない参照ダイオードからの信号を用いて、画素ダイオードにおける赤外線照射によるダイオード電流の変動分のみを取り出す。よって、さらに低ノイズかつ温度感度特性に優れた高性能な熱型赤外線検出素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態１における熱型赤外線検出素子の回路図
【図２】本発明の実施の形態１における熱型赤外線検出素子の電流読み取り回路の例を示す図
【図３】本発明の実施の形態１における熱型赤外線検出素子のダイオードの構造を示す図
【図４】本発明の実施の形態１における熱型赤外線検出素子の電圧設定回路の回路図
【図５】本発明の実施の形態１における熱型赤外線検出素子の回路図
【図６】図５、図１５に示す構成に用いられる参照回路の構成を示す回路図
【図７】本発明における画素ダイオードの温度の時間変化の説明図
【図８】読み出し期間における画素ダイオード電流、差分用電流、差分後の電流読み取り回路入力電流の時間変化の説明図
【図９】積分回路（電流読み取り回路）出力電圧の時間変化の説明図
【図１０】ダイオード電流を増大させた際の積分回路（電流読み取り回路）出力電圧の時間変化の説明図
【図１１】本発明の実施の形態２における熱型赤外線検出素子の回路図
【図１２】図１１に示す構成に用いられる参照画素用電圧設定回路の構成を示す回路図
【図１３】本発明における、読み出し期間における画素ダイオード電流、差分用電流、差分後の電流読み取り回路入力電流の時間変化の説明図
【図１４】本発明における、積分回路（電流読み取り回路）出力電圧の時間変化、および、ダイオード電流を増大させた際のその振る舞いに関する説明図
【図１５】本発明の実施の形態３における熱型赤外線検出素子の回路図
【図１６】本発明の実施の形態４における熱型赤外線検出素子の回路図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付の図面を参照し、本発明の実施の形態を説明する。
【００２３】
以下に説明の熱型赤外線検出素子では、断熱構造と赤外線吸収部を有するダイオードに流れる電流によらず、ダイオード両端に印加するバイアス電圧を一定値に制御する。これにより、ダイオードの温度が変化し、ダイオード電流が変化してもダイオードにかかる電圧は常に一定値となるため、配線抵抗による負帰還効果が削減される。以下、具体的に説明する。
【００２４】
実施の形態１．
（１．熱型赤外線検出素子の全体構成）
図１に本発明に係る一実施形態の熱型赤外線検出素子の構成を示す。同図に示すように、熱型赤外線検出素子は赤外線検出用のダイオード（画素ダイオード）101を備える。赤外線検出用のダイオード101の陽極は抵抗102を介して電源端子104に接続され、陰極は抵抗103及び端子105を経由して電圧設定回路106に接続される。ダイオード101を流れる電流Ifは、電圧設定回路106と端子107を経由して電流読み取り回路108に流れ、端子109を介して検出される。なお、端子105、107は説明の便宜上端子として表現しているが、電気的に接続されていれば端子の形態でなくてもよい。
【００２５】
電圧設定回路106は、端子105の電位を制御し、ダイオード101の両端にかかる電圧を一定になるよう制御する回路である。電圧設定回路106は、ダイオード101の両端電圧を一定値に制御するため、端子105の電位をダイオード101に流れる電流Ifに応じて制御する。電圧設定回路106のより詳細な動作については後述する。
【００２６】
電流読み取り回路108は、入力される電流を電圧に変換するもので周知の技術で実現できる。一例として図２に示した構成が考えられる。図２（ａ）は、トランスインピーダンスアンプで実現した例を示し、オペアンプ201の出力から反転入力端子に負荷抵抗RLで帰還を施した構成であり、電流に抵抗RLを乗じた値の出力が得られる。または、図２（ｂ）で示したようなオペアンプ301の出力から反転入力端子に容量Ciで帰還し、容量Ciの両端にリセットスイッチ302を設けた積分器でもよい。この構成では、リセットスイッチ302のリセット動作周期を積分時間Tiとし、電流に積分時間Tiを乗じた値を積分容量Ciで除算した値の出力が得られる。図２（ｂ）の例では、積分動作が行われるので雑音の減少効果もある。
【００２７】
ダイオード101は図３に示すように断熱構造と赤外線吸収構造を有する。このような構成は周知のものである。図３において、ダイオード101の主要部が含まれる赤外線吸収構造（熱電変換部）は、２つの細長い断熱支持脚401と402により、基板に設けられた中空部分403上で支持される。断熱支持脚401と402にはダイオード101への接続配線（図示せず）が埋め込まれている。断熱支持脚401と402は陽極側の電源配線404と陰極側の信号線405にそれぞれ接続されている。またダイオード101が存在する部分には赤外線吸収膜406が形成されている。なお、抵抗102と103は断熱支持脚401と402内の配線抵抗に相当する。
【００２８】
（２．電圧設定回路）
電圧設定回路106の動作について説明する。電圧設定回路106は端子105の電圧Vrefを以下のように制御する。
Vref = Vc - If・Rc                          (1.1)
Rcは抵抗102と103の合成抵抗、Ifはダイオード101を流れる電流、Vcは所定のバイアス電圧である。
【００２９】
一方、端子104に与えられる電源電圧をVddとすると、ダイオード101に印加されるダイオード101の順方向バイアス電圧Vfは次式で得られる。
Vf = Vdd - If・Rc - Vref                    (1.2)
式（1.1）、（1.2）より順方向バイアス電圧Vfは次式のようになる。
Vf = Vdd - Vc                              (2)
【００３０】
即ち、順方向バイアス電圧Vfは電流Ifに係わらず一定電圧となる。よって、従来技術で問題となった負帰還効果による感度低下がなくなり、高感度な熱型赤外線検出素子が実現できる。
【００３１】
図４に、このような働きをする電圧設定回路106の構成例を示す。電圧設定回路106の入力端子105から流れ込む電流Ifは、PMOSトランジスタ501を流れ、Nチャネルトランジスタ1701に流れる。Nチャネルトランジスタ1701、1702、1703はカレントミラー回路を構成しており、Nチャネルトランジスタ1701に流れた電流Ifは、Nチャネルトランジスタ1702、および、Nチャネルトランジスタ1703にコピーされる。Nチャネルトランジスタ1702のドレインは抵抗Rcを介して所定のバイアス電圧Vcに接続されている。抵抗Rcの抵抗値は、赤外線検出部の抵抗102と103の抵抗値の合成値に一致するようになっている。具体的には、図３に示した構成でダイオード部を抵抗の小さい太い配線でショートするのが一例として考えられる。これによりNチャネルトランジスタ1702のドレインには（Vc - If・Rc）の電圧が印加される。この電圧をオペアンプ507の非反転端子に入力し、反転端子に端子105の電圧を入力する。オペアンプ507の出力は、PMOSトランジスタ501のゲートに入力する。オペアンプ507の働きにより、反転入力端子即ち電圧設定回路106の入力端子105の電圧が常に非反転入力端子の電圧（Vc - If・Rc）に等しくなるように帰還動作が行われる。
【００３２】
電流Ifが増加し、抵抗102と103での電圧降下が上昇し、端子105の電圧が低下した場合の動作を検討する。この場合、オペアンプ507の反転入力端子の電圧が低下するので、オペアンプ507の出力が上昇し、PMOSトランジスタ501のゲート電圧を持ち上げPMOSトランジスタ501の電流が減少する。ダイオード101からの電流はPMOSトランジスタ501以外には流れないので、余剰なダイオード電流IfはPMOSトランジスタ501のソース電圧ノードを充電していく。これにより、PMOSトランジスタ501のソース電圧とオペアンプ507の反転入力端子の電圧は上昇し、PMOSトランジスタ501のゲート電圧を下げる。そうすると、PMOSトランジスタ501に流れる電流は増加し、ついにはダイオード101に流れる電流を超える。こうなると、上記と逆の現象がおき、PMOSトランジスタ501のソース電圧ノードを放電していき、PMOSトランジスタ501のソース電圧とオペアンプ507の反転入力端子の電圧も下がる。以後は、前述と同様の動作が繰り返され、最終的にPMOSトランジスタ501のソース電圧がオペアンプ507の非反転入力端子の電圧（Vc - If・Rc）に一致したところで安定する。
【００３３】
上記のような電圧設定回路106の動作により端子105の電圧が電圧（Vc - If・Rc）に制御され、これにより、ダイオード101両端にかかる電圧を（Vdd - Vc）に制御でき、ダイオード101に対して電流Ifによらない一定のバイアスを印加できる。すなわち、ダイオード101の温度が変化し、電流Ifが変化してもダイオード101にかかる電圧は常に、電源電圧Vddから一定のバイアス電圧Vcを減算した値となるため、配線抵抗による負帰還効果がなくなり、高感度な熱型赤外線検出素子を実現できる。
【００３４】
一般にダイオードの順方向電流は数μA以上であるが、ダイオードの電流の温度変化率は１度Ｃあたり６％程度である。また赤外線検出素子としてみた場合、光学系や断熱特性の設定にもよるが、画素サイズを４０μｍ、断熱支持脚の熱コンダクタンスを１００nW/K、赤外線吸収率を８０％、光学系Ｆ値を１とすると、被写体の温度変化１度Ｃあたりダイオード101の温度は５ミリ度Ｃ程度変化する。仮に、被写体の撮像温度範囲を室温±３０度Ｃ程度とした場合でも、ダイオード101の温度変化は高々０．３度Ｃp-pである。即ちダイオード101の電流変化は１．８％p-p（≒６％×０．３）程度の変化であり、数μAの電流を流していても、その一部しか信号電流にならないことがわかる。よって図１で示される例のようにダイオード電流Ifの全てを電流読み取り回路108に送る必要はなく、ダイオード電流Ifの一部のみを電流読み取り回路108に送ればよい。このようにすることで、電流読み取り回路108のダイナミックレンジを有効に活用できる設計が可能となり、ダイナミックレンジの大きい高感度な熱型赤外線検出素子を実現できる。抵抗値Rrの抵抗2002と電圧値Vrの定電圧源2003によるバイアス電流Ibはそれを実現するためのものであり、電流Ifから電流Ibを除いた差分電流を信号電流Iiとして端子107から引き抜く。端子107の電圧値は、抵抗値Rrと電圧値Vrの値により決定される。電流Ibの値は上記のように撮像温度範囲や画素の特性に応じて設定すればよい。ここで、電流読み取り回路108には、例えば、図２(b)に示すリセット積分器を用いるから、電流読み取り回路108の入力端子となる端子107の電圧は、図２(b)の非反転入力端子の電圧（図２(b)では「ＶＢ」と表記するが、ここでは「ＶＣ」とする。）と等しい電圧となる。周囲温度変化でダイオード電流が大きく変化する場合は、周囲温度に応じて電流Ibを変化させてもよい。
【００３５】
（３．画素アレイ構成への適用例）
図１の構成を、ダイオードを２次元アレイ状に配置した熱型赤外線検出素子の構成に適用した例を図５に示す。ダイオード101はアレイ状に配置され、３×３画素の撮像素子を構成している。このようにアレイ状に配置された複数の画素は画素アレイを構成する。ダイオード101の陽極は行単位で共通接続され、垂直走査回路1101に接続される。垂直走査回路1101によって、電源端子104から電源電圧Vddがダイオード101に行単位で順に供給される。ダイオード101の陰極は列単位で共通接続されている。ダイオード101の陰極には、列毎に設けた電圧設定回路3000が接続される。列毎に設けられた電圧設定回路3000の右端には、参照回路4000が付加される。参照回路4000は画素アレイには接続されていない。電流読み取り回路1104、4001は図２(b)に示す構成を有する。
【００３６】
図６に参照回路4000の具体的な構成を示す。参照回路4000は、差分電流発生用の支持脚構造を持たない参照ダイオード2000bと、電流If_refを引き込む電流源2010とを含む。ここで、断熱構造及び／または赤外線吸収部を有しないダイオードを「参照ダイオード」と呼んでいる。参照回路4000の入力端子（すなわち、参照ダイオード2000bの陽極端子）2008は、端子１０４を介して電源電圧Ｖｄｄに接続される。
【００３７】
電圧設定回路3000は図４に示す構成を有する。電圧設定回路3000の端子105は画素ダイオードの陰極に接続され、端子107は電流読み取り回路1104に接続され、端子506はオペアンプ1003の出力に接続され、端子2003には電源電圧Vddを与える。
【００３８】
電圧設定回路3000の出力及び参照回路4000の出力（2009）は、電流読み取り回路1104及び電流読み取り回路4001の入力にそれぞれ接続される。電流読み取り回路1104、4001の出力（109）は水平選択スイッチ1105に接続される。水平選択スイッチ1105は、水平選択回路1106からの制御信号により順に導通状態となり、電流読み取り回路1104、4001の出力を出力端子1107に導く。
【００３９】
サンプルホールド回路1108は、参照回路4000に対応する出力が出たときに、その出力をサンプルホールドし、オペアンプ1003の非反転入力端子に入力する。オペアンプ1003の反転入力端子には、オペアンプ1003の出力電圧が入力される。オペアンプ1003の出力電圧は、電圧ＶＣとして、電圧設定回路3000のＶＣ電圧（図４の端子506）に入力される。さらに、オペアンプ1003の出力電圧は、電流読み取り回路1104および4001それぞれのオペアンプ（図２(b)のオペアンプ301）の非反転入力端子（図２(b)でＶＢと記載されている端子）に入力される。
【００４０】
以上の構成により、参照回路4000において、参照ダイオード2000bに流れる電流が、基準電流源2010の電流If_refと等しくなり（すわなち、参照回路4000から出力端子2009を介して電流読み取り回路4001に入力される電流がゼロとなる）、電流読み取り回路4001の出力が、電流読み取り回路4001内のオペアンプ（例えば、図２(b)に示すオペアンプ301）の非反転入力端子の電圧ＶＣと等しくなるように、オペアンプ1003の出力電圧（すなわちバイアス電圧ＶＣ）が制御される。これにより、周囲温度が変化しても、参照回路4000において参照ダイオード2000bに流れる電流が基準電流源2010の電流If_refと常に等しくなるように、バイアス電圧ＶＣを制御する。参照ダイオード2000bに印加される電圧は（Vdd−VC）であり、これは画素ダイオード101に印加される電圧と等しい。以上のようなバイアス電圧ＶＣを設定することで、周囲温度にかかわらず赤外線の入射がゼロのときに画素ダイオード101に流れる電流がIf_refとなり、一定となり、変動しない。赤外線が入射すると、画素ダイオード101に流れる電流Ifは、If_refから赤外線入射による増大分のみ増大した値となる。端子2003の電圧と端子107の電圧が、抵抗素子2002の両端に印加され、バイアス電流Ｉbが流れ、後段の電流読み取り回路108に差分電流（Ｉf−Ｉb）のみを供給することが可能である。これにより、高感度、高ダイナミックレンジかつ高精度に温度ドリフト抑制された熱型赤外線検出素子が実現できる。また、オペアンプ1003の出力にローパスフィルタを挿入してもよい。
【００４１】
以上の構成により、参照回路4000からの出力による帰還効果が平均化され、より安定な出力を得ることが出来る。よって、高感度、高ダイナミックレンジかつ高精度に温度ドリフト抑制された熱型赤外線検出素子が実現できる。また、抵抗素子2002は、飽和動作をするために高くなるＮＭＯＳトランジスタ1703の微分抵抗値よりも小さい抵抗値を有する。これにより、後段の電流読み取り回路108の入力端子107に低インピーダンスにて接続が可能となるため、ノイズが低減され、高性能な熱型赤外線検出素子を実現できる。
【００４２】
（４．実施の形態１の構成の課題）
上記構成により、配線抵抗による負帰還効果を削減でき、高感度、高ダイナミックレンジの熱型赤外線検出素子が実現できる。しかしながら、上記構成の場合、下記のような課題がさらに考えられる。
【００４３】
２次元アレイを構成する１つの画素ダイオードに注目する。読み出し動作時に、注目画素ダイオードに流れる電流Ifによりジュール熱が発生する。画素ダイオードは断熱構造を有するため、注目画素ダイオードに読み出し電圧が印加され電流が流れている間、注目画素ダイオードの温度は徐々に上昇する。読み出し動作は、列毎に形成された読み出し回路を用いて、１行の画素ダイオードすべてに対して同時に行われる。しかし、注目画素ダイオードへの読み出し電圧の印加が終了し、他の行の画素ダイオードの読み出し動作が行われている間は、注目画素ダイオードには電流が流れないため、注目画素ダイオードの温度は徐々に低下する(図７参照)。
【００４４】
このように、各画素ダイオードの温度は、電圧印加期間に対応して上昇と低下のサイクルを繰り返す。以下、この現象を「自己発熱現象」と呼ぶ。この自己発熱現象により、読み出し動作の間、画素ダイオードの温度は上昇する。このため、読み出し動作の間、画素ダイオードに流れる電流は徐々に増大する(図８の実線Ａ参照)。
【００４５】
一方、電圧設定回路106の抵抗素子2002により生成する差分用の電流Ibは、読み出し動作の間、一定であるため(図８の実線Ｂ参照)、後段の電流読み取り回路108に入力される差分電流（If-Ib）の値は、読み出し動作の間、徐々に増大することとなる(図８の実線Ｃ参照)。したがって、読み出し動作の間、徐々に増大する差分電流（If-Ib）に対して、電流読み取り回路108にて積分を行うことから、積分後の出力電圧の絶対値を小さく抑制することは困難となる(図９参照)。ここで、さらなる温度感度の増大のために、ダイオード電流を増大させることを考えると、積分後の出力電圧の絶対値はさらに増大することとなり、図１０に示すように積分回路である電流読み取り回路108が飽和を起こしてしまう（回路のダイナミックレンジを出力電圧が超えてしまう）。このため、ダイオード電流の増大は不可能となる。また、差分用の電流を生成するために抵抗素子2002に印加する電圧Vrは、高精度な電圧設定が必要であり、電圧Vrの生成が容易ではないという課題も存在する。
【００４６】
以上のように、本実施の形態では、積分回路である電流読み取り回路に入力する差分電流を読み出し動作の間常時小さく抑制することができず、したがって積分後の出力電圧の絶対値を小さく抑制することができず、電流読み取り回路（積分回路）の飽和が発生する。このため、さらなる温度感度の増大を実現するためダイオード電流を増大させることが不可能となるという課題がある。
【００４７】
以下の実施形態では、実施の形態１の上記の課題をさらに解決するための構成を提示する。
【００４８】
実施の形態２．
図１１に、実施の形態２の熱型赤外線検出素子の構成を示す。図１１に示すように、ダイオード101はアレイ状に配置され、３×３画素の撮像素子（画素アレイ）を構成している。各行の右端には参照ダイオード901が配置されている。ダイオード101、901の陽極は行単位で共通接続され、垂直走査回路1101により行単位で順に電源端子104から電源電圧が供給される。ダイオード101、901の陰極は列単位で共通接続されている。ダイオード101の陰極には、列毎に設けた電圧設定回路3000が接続され、参照ダイオード901の陰極には参照画素用電圧設定回路4007が接続される。電圧設定回路3000の出力は電流読み取り回路1104に接続され、参照画素用電圧設定回路4007の出力は参照画素用電流読み取り回路4008に接続される。電圧設定回路3000は図４に示す回路構成を有し、参照画素用電圧設定回路4007は図１２に示す回路構成を有する。
【００４９】
電圧設定回路3000のＶＣ電圧（図４の端子506）は端子5001に接続された電源から供給される。電流読み取り回路1104は、図2(b)に示すリセット積分回路または図2(a)に示す電流電圧変換回路で構成され、参照画素用電流読み取り回路4008は図2(a)に示す電流電圧変換回路で構成される。
【００５０】
電流読み取り回路1104および参照画素用電流読み取り回路4008のＶＢ電圧（図2(a)および図2(b)のＶＢ）は端子5002に接続された電源から供給される。
【００５１】
電流読み取り回路1104の出力は水平選択スイッチ1105に接続される。水平選択スイッチ1105は、水平選択回路1106からの制御信号により順に導通状態となり、電流読み取り回路1104の出力を出力端子1107に導く。
【００５２】
参照画素用電流読み取り回路4008の出力は、ユニティゲインバッファ回路5010を介して、各列の電圧設定回路3000の端子2003(図４参照)に、電圧Vrとして接続される。なお、ユニティゲインバッファ回路5010、熱型赤外線検出素子のチップ上で形成せずに、外部回路、外部素子として構成しても良い。
【００５３】
以上のように構成される熱型赤外線検出素子の動作を説明する。
参照画素用電圧設定回路4007に用いられる図2(a)に示す電流電圧変換回路における抵抗素子の抵抗値をRLとする。参照ダイオード901に流れる電流If_refは、参照画素用電圧設定回路4007に入力される。参照画素用電圧設定回路4007は電流電圧変換回路であるから、参照画素用電圧設定回路4007の出力電圧は、If_ref×RLで算出される電圧値となる。この電圧（If_ref×RL）が、各列の電圧設定回路3000の端子2003に電圧Vrとして入力される。ここで参照画素用電圧設定回路4007に用いられる図2(a)で示される電流電圧変換回路における抵抗素子の抵抗値RLを、電圧設定回路3000のRr（図４参照）と等しくする。このとき、次式が成り立つ。
Vr ＝ VB + If_ref×Rr
【００５４】
電圧設定回路3000の出力端子107（図４参照）の電圧は、後段に接続される電流読み取り回路4008の入力端子の電圧と等しくなるが、電流読み取り回路4008のイマジナリーショートの動作により、電圧VBと等しくなる。したがって、電圧設定回路3000（図４参照）の抵抗素子2002に流れる電流Ibは次式で表される。
Ib ＝ (Vr − VB)/Rr ＝ (VB + If_ref×Rr − VB)/Rr = If_ref
【００５５】
このように、電圧設定回路3000の抵抗素子2002により生成する差分用電流の電流値Ibを、参照ダイオード901の電流値If_refと等しくすることができ、電圧設定回路3000において、画素ダイオードの電流Ifと、抵抗素子2002により生成される電流Ib（=If_ref）との差分電流（If−If_ref）が、電流読み取り回路1104から流れ出す方向を正として電流読み取り回路4008に入力される（すなわち、電流読み取り回路4008から差分電流が引き抜かれる）。電流読み取り回路4008に入力される差分電流（If−If_ref）は、画素ダイオードの電流Ifと参照ダイオードの電流If_refの差分であることから、画素ダイオードにおける赤外線照射によるダイオード電流の変動分のみを示すことになり、温度感度としての情報を持った、読み取りたい成分のみを含んでいる（図１３参照）。これにより、積分回路である電流読み取り回路に入力する差分電流を読み出し動作の間常時小さく抑制でき、さらなる温度感度の増大を実現するダイオード電流の増大を実施可能とする（図１４参照）。以上、参照ダイオード901が赤外線吸収部を有しないダイオードである場合について説明したが、参照ダイオード901が断熱構造を有しないダイオードである場合においても同様に、電圧Vrの高精度な電圧生成の課題を解消できる。
【００５６】
同時に、抵抗素子2002は、飽和動作により増加する、ＮＭＯＳトランジスタ1703の微分抵抗値よりも小さい抵抗値を有し、後段の電流読み取り回路4008の入力端子107に低インピーダンスにて接続が可能である。このため、ノイズが低減され、高性能な熱型赤外線検出素子を実現でき、高感度・高性能な熱型赤外線検出素子を提供できる。
【００５７】
なお、抵抗素子2002および図2(a)に示す抵抗素子RLの双方を、例えば参照ダイオードのようなダイオードに置き換えてもよい。
【００５８】
実施の形態３．
図15に実施の形態３における熱型赤外線検出素子の構成を示す。画素アレイの構成については実施の形態２と同様である。電圧設定回路3000は図4の回路で構成され、参照画素用電圧設定回路4007は図12の回路で構成される。電流読み取り回路1104は、図2(b)で示されるリセット積分回路または図2(a)で示される電流電圧変換回路で構成され、参照画素用電流読み取り回路4008は図2(a)で示される電流電圧変換回路で構成される。これらの点も実施の形態２と同様である。
【００５９】
本実施形態の熱型赤外線検出素子はさらに参照回路4000を備える。参照回路4000の出力端子は電流読み取り回路4001に入力される。参照回路4000は図６に示す構成を有し、支持脚構造を持たない参照ダイオード2000b、基準電流値If_refを供給する基準電流源2010で構成される。端子2008は端子104に接続された電源電圧Ｖddに接続され、端子2009が出力端子である。
【００６０】
電流読み取り回路1104、4001の出力は水平選択スイッチ1105に接続される。水平選択スイッチ1105は水平選択回路1106からの制御信号により順次導通状態となり、電流読み取り回路1104、4001の出力を出力端子1107に導く。
【００６１】
サンプルホールド回路1108は、参照回路4000に対応する出力が出たときに、その出力をサンプルホールドし、オペアンプ1003の非反転入力端子に入力する。オペアンプ1003の反転入力端子には、オペアンプ1003の出力電圧が入力される。オペアンプ1003の出力電圧は、電圧ＶＣとして、電圧設定回路3000のＶＣ電圧（図４の端子506）および参照画素用電圧設定回路4007のＶＣ電圧（図１２の端子506）に入力される。さらに、オペアンプ1003の出力電圧は、電流読み取り回路1104および4001それぞれのオペアンプ（図２(b)のオペアンプ301）の非反転入力端子（図２(b)でＶＢと記載されている端子）に入力される。
【００６２】
以上の構成により、参照回路4000において、参照ダイオード2000bに流れる電流が基準電流源2010の電流If_refと等しくなり（すわなち、参照回路4000から出力端子2009を介して電流読み取り回路4001に入力される電流がゼロとなる）、電流読み取り回路4001の出力が、電流読み取り回路4001のオペアンプ（例えば、図２(b)に示すオペアンプ301）の非反転入力端子の電圧ＶＣと等しくなるように、オペアンプ1003の出力電圧（すなわちバイアス電圧ＶＣ）が制御される。本実施形態では、周囲温度が変化しても、参照回路4000において参照ダイオード2000bに流れる電流が基準電流源2010の電流If_refと常に等しくなるように、バイアス電圧ＶＣが制御される。参照回路4000において、参照ダイオード2000bに印加される電圧は（Vdd−VC）であり、これは画素ダイオード101に印加される電圧と等しくなる。以上のようなバイアス電圧ＶＣを設定することで、周囲温度にかかわらず、赤外線の入射がゼロのときに画素ダイオード101に流れる電流がIf_refとなり一定となる。これにより、高精度に温度ドリフト抑制された熱型赤外線検出素子が実現できる。
【００６３】
参照画素用電流読み取り回路4008の出力は、ユニティゲインバッファ回路5010を介して、各列の電圧設定回路3000の端子2003(図4参照)に電圧Vrとして接続される。ユニティゲインバッファ回路5010は、熱型赤外線検出素子のチップ上で形成せず、外部回路・外部素子として構成しても良い。
【００６４】
本実施の形態により、参照ダイオード901に流れる電流If_refは、参照画素用電圧設定回路4007に入力され、参照画素用電圧設定回路4007は電流電圧変換回路であるから、参照画素用電圧設定回路4007の出力電圧は、If_ref×RLで算出される。この電圧が、各列の電圧設定回路3000の端子2003に電圧Vrとして入力される。ここで参照画素用電圧設定回路4007に用いられる抵抗素子（図2(a)参照）の抵抗値RLを、電圧設定回路3000（図4参照）の抵抗2002の抵抗値Rrと等しくする。このとき、次式が成り立つ。
Vr ＝ VB + If_ref×Rr
【００６５】
電圧設定回路3000の出力端子107（図4参照）の電圧は、後段に接続される電流読み取り回路1104の入力端子の電圧と等しくなるが、電流読み取り回路1104のイマジナリーショートの動作により、電圧VBと等しくなる。したがって、電圧設定回路3000の抵抗値Rrを持つ抵抗素子2002に流れる電流Ibは次式となる。
Ib ＝ (Vr − VB)/Rr ＝ (VB + If_ref×Rr − VB)/Rr = If_ref
【００６６】
このように、電圧設定回路3000の抵抗素子2002により生成する差分用電流の電流値は、参照ダイオードの電流値If_refと等しくすることができ、電圧設定回路3000において、画素ダイオードの電流Ifと、この抵抗素子2002により生成する差分用電流Ib（=If_ref）の差分電流（If−If_ref）が、電流読み取り回路1104から流れ出す方向を正として電流読み取り回路1104に入力される（すなわち、電流読み取り回路1104から差分電流が引き抜かれる。）。電流読み取り回路1104に入力される差分電流（If−If_ref）は、画素ダイオードの電流Ifと参照ダイオードの電流If_refの差分であることから、画素ダイオードにおける赤外線照射によるダイオード電流の変動分を示すことになり、温度感度としての情報を持った、読み取りたい成分のみを含んでいる（図13参照）。これにより、積分回路である電流読み取り回路に入力する差分電流を読み出し動作の間常時小さく抑制でき、さらなる温度感度の増大を実現するダイオード電流の増大を実施可能とする（図14参照）。以上、参照ダイオード901が赤外線吸収部を有しないダイオードである場合について説明したが、参照ダイオード901が断熱構造を有しないダイオードである場合においても同様に、電圧Vrの高精度な電圧生成の課題を解消できる。
【００６７】
同時に、抵抗素子2002は、飽和動作をするために高くなるＮＭＯＳトランジスタ1703の微分抵抗値よりも小さい抵抗値を有し、後段の電流読み取り回路4008の入力端子107に低インピーダンスにて接続が可能となるため、ノイズが低減され、高性能な熱型赤外線検出素子を実現でき、高感度・高性能な熱型赤外線検出素子を提供できる。
【００６８】
なお、抵抗素子2002および図2(a)に示す抵抗素子RLの双方を、例えば参照ダイオードのようなダイオードに置き換えてもよい。
【００６９】
実施の形態４．
図16に実施の形態４における熱型赤外線検出素子の構成を示す。本実施の形態では、ダイオード101は３×３画素のアレイ状に配置される。各行の右端には２列の参照ダイオード901、901bが配置されている。ダイオード101、901、901bの陽極は行単位で共通接続され、垂直走査回路1101により行単位で順に電源端子104から電源電圧が供給される。ダイオード101、901、901bの陰極は列単位で共通接続されている。ダイオード101の陰極には、列毎に設けた電圧設定回路3000が接続され、参照ダイオード901、901bの陰極には参照画素用電圧設定回路4007、4007bが接続される。電圧設定回路3000の出力は電流読み取り回路1104に接続される。参照画素用電圧設定回路4007、4007bの出力は参照画素用電流読み取り回路4008、4008bに接続される。電圧設定回路3000は図4に示す回路構成を有し、参照画素用電圧設定回路4007、4007bは図12に示す回路構成を有する。
【００７０】
電流読み取り回路1104は、図2(b)で示されるリセット積分回路または図2(a)で示される電流電圧変換回路で構成され、参照画素用電流読み取り回路4008、4008bは図2(a)で示される電流電圧変換回路で構成される。参照画素用電流読み取り回路4008、4008bにおける電流電圧変換回路で用いられる抵抗素子の抵抗値は、異なる抵抗値であっても良い。
【００７１】
電流読み取り回路1104、および、参照画素用電流読み取り回路4008bの出力は水平選択スイッチ1105に接続される。水平選択スイッチ1105は、水平選択回路1106からの制御信号により順に導通状態となり、電流読み取り回路1104、および、参照画素用電流読み取り回路4008bの出力を出力端子1107に導く。
【００７２】
サンプルホールド回路1108は、参照画素用電圧設定回路4007bに対応する出力が出たときに、その出力をサンプルホールドし、オペアンプ1003の非反転入力端子に入力する。オペアンプ1003の反転入力端子には、電圧値VREFの基準電圧が供給される。オペアンプ1003の出力電圧は、電圧ＶＣとして、電圧設定回路3000のＶＣ電圧（図４の端子506）、および、参照画素用電圧設定回路4007、4007bのＶＣ電圧（図12の端子506）に入力される。さらに、オペアンプ1003の出力電圧は、電流読み取り回路1104および参照画素用電流読み取り回路4008、4008bそれぞれのオペアンプ（図2(b)のオペアンプ301）の非反転入力端子（図2(b)でＶＢと記載されている端子）に入力される。
【００７３】
以上の構成により、参照画素用電流読み取り回路4008bの出力が基準電圧VREFと等しくなるように、オペアンプ1003の出力電圧（すなわちバイアス電圧ＶＣ）が制御される。本実施形態では、周囲温度が変化しても、右端の参照ダイオード901bに流れる電流が、基準電圧VREFで規定される一定の電流値になるように、バイアス電圧ＶＣが制御される。右端の参照ダイオード901bに印加される電圧は（Vdd−VC）であり、これは画素ダイオード101に印加される電圧と等しくなる。以上のようなバイアス電圧ＶＣを設定することで、周囲温度にかかわらず、赤外線の入射がゼロのときに画素ダイオード101に流れる電流が、基準電圧VREFで規定される一定の電流値となる。これにより、高精度に温度ドリフト抑制された熱型赤外線検出素子が実現できる。
【００７４】
参照画素用電流読み取り回路4008の出力は、ユニティゲインバッファ回路5010を介して、各列の電圧設定回路3000の端子2003(図4参照)に電圧Vrとして接続される。ユニティゲインバッファ回路5010は、熱型赤外線検出素子のチップ上で形成せず、外部回路・外部素子として構成しても良い。
【００７５】
本実施の形態により、参照ダイオード901に流れる電流If_refは、参照画素用電圧設定回路4007に入力され、参照画素用電圧設定回路4007は電流電圧変換回路であるから、参照画素用電圧設定回路4007の出力電圧は、If_ref×RLで算出される電圧値となる。この電圧が、各列の電圧設定回路3000の端子2003に電圧Vrとして入力される。ここで参照画素用電圧設定回路4007に用いられる抵抗素子（図2(a)参照）の抵抗値RLを、電圧設定回路3000（図4参照）の抵抗2002の抵抗値Rrと等しくする。このとき、次式が成り立つ。
Vr ＝ VB + If_ref×Rr
【００７６】
電圧設定回路3000の出力端子107（図4参照）の電圧は、後段に接続される電流読み取り回路1104の入力端子の電圧と等しくなるが、電流読み取り回路1104のイマジナリーショートの動作により、電圧VBと等しくなる。したがって、電圧設定回路3000の抵抗値Rrを持つ抵抗素子2002に流れる電流Ibは次式となる。
Ib ＝ (Vr − VB)/Rr ＝ (VB + If_ref×Rr − VB)/Rr = If_ref
【００７７】
このように、電圧設定回路3000の抵抗素子2002により生成する差分用電流の電流値は、参照ダイオードの電流値If_refと等しくすることができ、電圧設定回路3000において、画素ダイオードの電流Ifと、この抵抗素子2002により生成する差分用電流Ib（=If_ref）の差分電流（If−If_ref）が、電流読み取り回路1104から流れ出す方向を正として電流読み取り回路1104に入力される（すなわち、電流読み取り回路1104から差分電流が引き抜かれる。）。電流読み取り回路1104に入力される差分電流（If−If_ref）は、画素ダイオードの電流Ifと参照ダイオードの電流If_refの差分であることから、画素ダイオードにおける赤外線照射によるダイオード電流の変動分を示すことになり、温度感度としての情報を持った、読み取りたい成分のみを含んでいる（図13参照）。これにより、積分回路である電流読み取り回路に入力する差分電流を読み出し動作の間常時小さく抑制でき、さらなる温度感度の増大を実現するダイオード電流の増大を実施可能とする（図14参照）。以上、参照ダイオード901が赤外線吸収部を有しないダイオードである場合について説明したが、参照ダイオード901が断熱構造を有しないダイオードである場合においても同様に、電圧Vrの高精度な電圧生成の課題を解消できる。
【００７８】
同時に、抵抗素子2002は、飽和動作をするために高くなるＮＭＯＳトランジスタ1703の微分抵抗値よりも小さい抵抗値を有し、後段の電流読み取り回路4008の入力端子107に低インピーダンスにて接続が可能となるため、ノイズが低減され、高性能な熱型赤外線検出素子を実現でき、高感度・高性能な熱型赤外線検出素子を提供できる。
【００７９】
なお、抵抗素子2002および図2(a)の抵抗素子RLの双方を、例えば参照ダイオードのようなダイオードに置き換えてもよい。
【００８０】
以上のように、上記の実施形態２ないし４では、断熱構造と赤外線吸収部を有する画素ダイオードと、断熱構造及び／または赤外線吸収部を有しない参照ダイオードとに対して、それぞれの電圧設定回路により、ダイオードへの配線抵抗による電圧降下を減じた電圧を印加する。そのとき参照ダイオードに流れる電流を電流電圧変換回路により電圧に変換し、その変換された電圧を用いて参照ダイオードに流れる電流と等しい電流を、電圧設定回路内の抵抗素子に流し、画素ダイオードの電流とその抵抗素子に流れる電流の差分電流を電流読み取り回路で読み出す。これにより、電流読み取り回路の飽和を発生させずに、温度感度を増大可能とする画素ダイオードの電流の増大を可能としている。
【００８１】
なお、上記の各実施形態では、抵抗Rcの値を赤外線検出部の抵抗102と103の抵抗値の合成値に一致するようにしたが、抵抗Rcの値を、赤外線検出部の抵抗102と103の抵抗値と、信号線1110の抵抗値および駆動線1109の抵抗値との合成値に一致するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００８２】
101  画素ダイオード、102  第1の配線抵抗、103  第2の配線抵抗、106  電圧設定回路、108  電流読み取り回路、401  断熱支持脚、402  断熱支持脚、406  赤外線吸収膜、901,901ｂ  参照ダイオード、1101  垂直走査回路、1104  電流読み取り回路、1106  水平走査回路、1701〜1703  カレントミラーを形成するNＭＯＳトランジスタ、 2000b  差分電流生成用の支持脚構造を持たない参照ダイオード、2002  差分電流生成用抵抗素子、2003  差分電流生成用抵抗素子に電圧を印加する端子、2008  支持脚構造を持たない参照ダイオードの陽極に電圧を印加する端子、2009  参照回路の出力端子、2010  参照回路に用いるバイアス電流源、3000  電圧設定回路、4000  参照回路、4001  参照回路に対応する電流読み取り回路、4007、4007b参照画素用電圧設定回路、4008、4008b  参照画素用電流読み取り回路、5000  Vr電圧端子、5001  VC電圧端子、5002  VB電圧端子、5010  ユニティゲインバッファ回路、5011  VREF電圧端子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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