(57)【要約】超低雑音高利得インターフェース・ピクセル増幅器には、Ｘ線から長ＩＲ帯域までの異なるスペクトル帯域通過のため電気的広帯域幅で既知の光検出器の単光子読み出しの能力が与えられる。光検出器の電荷がソース・フォロワ（Ｑ２１）を変調し、そのソース・フォロワの出力が二重にサンプリングされて、コンパクト段により相関雑音が取り除かれ、そのコンパクト段はまた、全信号エクスカーションの後続の増幅のため最適なレベル・シフトを与える。レベル・シフトされた信号は、最終的に、強固なエンド・ツー・エンド・トランスインピーダンスを発生するコンパクト増幅器を駆動する。それにより、小さいピクセル範囲において電気的広帯域幅で光検出器の単光子読み出しが促進される。
2004511149.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単光子読出回路であって、
入射光子に応答して、検出器のキャパシタンス上の小信号光電荷を積分して、光検出器出力信号を生成する光検出器（ＰＤ１）と、
前記光検出器出力信号を受け取って、バッファされた光検出器出力信号を生成するように構成されたバッファ増幅器（Ａ１）と、
信号入力を有し、信号出力を生成する信号増幅器（Ａ２）と、
前記バッファされた光検出器出力信号に接続された第１の端子と、前記信号増幅器の前記信号入力に接続された第２の端子とを有し、信号レベルをオフセット電圧だけシフトさせる結合キャパシタ（ＣＣＬＡＭＰ）と、
前記結合キャパシタに接続され、前記オフセット電圧をリセットする電子的オフセット・リセット・スイッチ（Ｓ２）と、
を備えていることを特徴とする単光子読出回路。
【請求項２】
請求項１記載の光検出器読出回路において、前記電子的オフセット・リセット・スイッチは電界効果トランジスタ（Ｑ２３）を備えていることを特徴とする光検出器読出回路。
【請求項３】
請求項２記載の光検出器読出回路において、前記光検出器はフォトダイオード（ＰＤ１）を備えており、
開路位置及び閉路位置を有するフォトダイオード・リセット・スイッチ（Ｓ１）を更に備え、
前記フォトダイオード・リセット・スイッチは、前記閉路位置で前記フォトダイオードを放電させ、前記開路位置にあるとき電荷蓄積を可能にするよう接続され、
前記フォトダイオード・リセット・スイッチは、実質的に、前記オフセット・リセット・スイッチと同時に開くよう調時されていることを特徴とする光検出器読出回路。
【請求項４】
請求項１記載の光検出器読出回路において、前記バッファ増幅器は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）（Ｑ２１）をソース・フォロワ構成で備え、前記信号増幅器は第２のＦＥＴ（Ｑ２４）をコモン・ソース構成で備えることにより、反転された信号出力を生成することを特徴とする光検出器読出回路。
【請求項５】
請求項４記載の光検出器読出回路において、前記オフセット・リセット・スイッチと接地との間に直列に接続され、前記信号増幅器の入力レベルを設定するレベル調整電圧（Ｖａｄｊｕｓｔ）を更に備えていることを特徴とする光検出器読出回路。
【請求項６】
請求項５記載の光検出器読出回路において、前記信号増幅器は、カスコード構成に接続されている少なくとも２つのＦＥＴ（Ｑ２４，Ｑ２８）を備えていることを特徴とする光検出器読出回路。
【請求項７】
請求項１記載の光検出器読出回路において、前記信号増幅器は、
並列に接続された少なくとも２つの増幅器サブモジュールであって、第１のサブモジュールはコモン・ソース増幅器（Ｑ２８）を含み、第２のサブモジュールは少なくとも２つのＦＥＴ（Ｑ２４，Ｑ２８）をカスコード構成で備えている少なくとも２つの増幅器サブモジュールと、
前記サブモジュールのいずれかを選択的に使用可能にするスイッチ（Ｑ２９）と、
を備えていることを特徴とする光検出器読出回路。
【請求項８】
請求項１記載の光検出器読出回路において、前記信号増幅器は、
第１及び第２の差動入力を有しており第１の差動入力は前記クランピング・キャパシタの前記第２の端子から信号を受け取るように構成されている差動増幅器（Ｑ４０−Ｑ４２，Ｒ１，Ｒ２）と、
前記第１の差動入力と前記第２の差動入力とのいずれかに信号入力を選択的に結合するスイッチと、
を備えていることを特徴とする光検出器読出回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に光子の検出に関し、より詳細にはピクセル化された撮像アレイにおける半導体光検出器の単光子読み出しのための増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光センサは、Ｘ線（λ＜０．００１μｍ）、紫外線（λ＝０．００１−０．４μｍ）、可視光（λ＝０．４−０．８μｍ）、近赤外線（ＩＲ）（λ＝０．８−２μｍ）、短波ＩＲ（λ＝２．０−２．５μｍ）、中ＩＲ（中赤外線）（λ＝２．５−５μｍ）及び長波長赤外線（λ＝５−２０μｍ）帯域の入射放射信号を電気信号に変換する。なお、この電気信号は、リアルタイム・ビデオのような、データ収集、処理、記憶及び表示のため用いられる。フォトダイオード及び光伝導体のような使用可能な通常の光検出器は、高価でなく、現在のビデオ・フレーム速度をサポートする帯域幅を呈し、そして撮像アレイに用いるときピクセルからピクセルへ高い一様性を呈する。しかしながら、これらの光検出器は、利得がなく、即ち、各入射光子は、せいぜい単一の電子を発生するだけであり、従ってこれらの撮像システムは、中程度の光条件から明るい光条件でのみ非常にうまく動作する。それらの撮像システムは、通常の読み出し回路が読み出すには小さ過ぎる低い光レベルで電気信号を与える。
【０００３】
低い周囲光の条件下で、標準の光検出器は、多くの場合アバランシェ・フォトダイオードに置き換えられる。なお、そのアバランシェ・フォトダイオードは、電荷結合デバイス、即ちＣＣＤのような通常の読み出し回路がデータをビデオ・フレーム速度において高い信号対雑音比（ＳＮＲ）で読み出すことができるように、利得を与える。アバランシェ・フォトダイオードの製造は標準の光検出器より非常に難しく且つ費用がかかる。それは、それらが非常に高度に制御された利得及び非常に低い雑音を示さねばならないからである。更に、現在入手可能なアバランシェ・フォトダイオードは、比較的貧弱な一様性を示し、標準の光検出器より短い波長（０．７μｍ）に制約され、そしてそれらの比較的低い量子効率に起因して感度が限定されていた。撮像増強システムは、アバランシェ・フォトダイオード又はマイクロチャネル・プレートのアレイを用いて、ＣＣＤ又はリン光体のようなそれぞれの表示構成要素を駆動し、そしてフォトダイオードの制限に起因した更に一層低い波長能力（ほぼ最大０．６μｍ）を有する。
【０００４】
Ｃｈａｍｂｅｒｌａｉｎ他「新規な広い動的範囲のシリコン光検出器及び線形撮像アレイ（Ａ　Ｎｏｖｅｌ　Ｗｉｄｅ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｒａｎｇｅ　Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ　ａｎｄ　Ｌｉｅｎａｒ　Ｉｍａｇｉｎｇ　Ａｒｒａｙｓ）」（電子デバイスのＩＥＥＥ会報（ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ）、ＥＤ−３１巻２号、１９８４年２月、１７５−１８２頁）には、標準の光検出器の単光子読み出しのためのゲート変調技術が記載されている。Ｃｈａｍｂｅｒｌａｉｎの論文は、負荷ＦＥＴを含む高利得電流ミラーであって、その負荷ＦＥＴのゲートがそのドレインに接続されて、サブスレショルド動作を保証し且つスレショルド電圧（ＶＴ）の非一様性を排除する高利得電流ミラーを提供する。標準シリコンＣＭＯＳ製造プロセスに関連したピクセル・ツー・ピクセルＶＴ非一様性は、さもなければ、実質的に撮像アレイの性能を低下させるであろう。光検出器からの信号は、負荷ＦＥＴの中に注入され、それにより信号電圧を利得ＦＥＴのゲートに生成する。この信号が利得ＦＥＴのゲート電圧を変調することにより、積分された電荷を蓄積キャパシタに蓄積し、その積分された電荷が、読み出され、そして１対のＦＥＴスイッチを介してリセットされる。
【０００５】
Ｃｈａｍｂｅｒｌａｉｎの特別の利得変調技術が、大きな動的範囲を与え、そして広いスペクトル範囲にわたり信号を検出するに有効であるとはいえ、電流ミラーの帯域幅は、撮像アレイの帯域幅を厳しく制限する。特に、支配的なＲＣ時定数は、光検出器のキャパシタンスと負荷ＦＥＴの抵抗との並列の組み合わせである。サブスレショルド動作においては、ＦＥＴの相互コンダクタンスが非常に小さく、従ってその負荷抵抗が非常に大きく、≧１０−１４オームである。その結果生じる最小の時定数は秒のオーダである。従って、Ｃｈａｍｂｅｒｌａｉｎのゲート変調技術は、実際には、白昼のシーン、又は星のような低い光レベルの静止シーンを撮像することにのみ有効である。更に、大きな電流利得を達成するため、負荷ＦＥＴは通常極めて小さい。その結果、負荷ＦＥＴが相当の１／ｆ雑音を呈し、それは、低い光条件下で撮像アレイの性能を大きく低下させる。
【０００６】
Ｋｏｚｌｏｗｓｋｉ他「室温でＦＰＡ性能を凝視するＳＷＩＲ（ＳＷＩＲ　ｓｔａｒｉｎｇ　ＦＰＡ　Ｐｅｒｆｏｍａｎｃｅ　ａｔ　Ｒｏｏｍ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）」（ＳＰＩＥ、２７４６巻、９３−１００頁、１９９６年４月）には、光子束が撮像フレーム当たり１００のオーダの光子である非常に暗い夜に検出を可能にする短波長赤外線（ＳＷＩＲ）帯域での「夜光」と呼ばれる現象が記載されている。Ｋｏｚｌｏｗｓｋｉは、２つの異なる読み出し回路と用いるＩｎＧａＡｓ及びＨｇＣｄＴｅ検出器アレイを詳述している。これら両方は、Ｃｈａｍｂｅｒｌａｉｎに類似した複数の電流ミラーを用いるが、しかし一方はまた、検出器ノードをバッファリングして、一定の検出器バイアスを維持する。ＳＷＩＲ帯域及びより長い波長の検出器アレイとは異なり、近ＩＲ及び可視光の検出器は、検出器バイアスの変化に対して敏感でなく、従って一定のバイアスを維持するためのバッファリングは関係ない。より重要なことは、バッファリングが回路帯域幅を増強し、それにより帯域幅が著しく増強されるが、しかし帯域幅は、ビデオを非常に高いフレーム速度で表示するのには依然不十分であることである。米国特許Ｎｏ．５，９２９，４３４における負帰還増幅器Ａ１は、高利得回路の入力インピーダンスを低減し、それによりその帯域幅を増強する。バッファ増幅器が無限の電圧利得及び無限の相互コンダクタンスを持つと近似されるケースにおいては、支配的な極（主極）は次式により与えられる。
【０００７】
【数１】
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【０００８】
ここで、Ｃｆは、バッファ増幅器の出力からその入力までの実効的フィードバック・キャパシタンスである。カスコード増幅器構成を仮定すると、Ｑ１のゲート−ソース・キャパシタンスが支配的であり、そしてＣｆは、サブスレショルドＦＥＴ　Ｑ１のゲート対ソース・キャパシタンスにより設定される。これは、寄生金属オーバラップ・キャパシタンスにより与えられる。例えば０．２５μｍＣＭＯＳ技術での最小幅トランジスタを仮定すると、最小Ｃｆは約０．１ｆＦになる。これは単一の光子をビデオ・フレーム速度で検知するのを容易にするが、追加のブーストが、３０から６０Ｈｚより十分上の高フレーム速度での撮像をサポートすることが必要とされる。
【０００９】
Ｍｅｒｒｉｌｌは、最終的に、米国特許Ｎｏ．６，０６９，３７６において、静止カメラ応用に適したスピード・スイッチを備えたピクセル増幅器（図６）を教示する。この装置は、下流利得を伴う広帯域幅信号積分を与えるが、しかしその感度は、蓄積構成要素でのリセット雑音の発生により制限される。更に、増幅器への入力で信号の動的範囲を最大にするための方法は提供されていない。
【００１０】
【発明の概要】
本発明は、単一の光子検出が可能である極めて高感度の光検出器読み出し回路である。光検出器（好ましくはフォトダイオード）は、入射光子に応答して、検出器のキャパシタンス上に小信号光電荷を積分して、光検出器出力信号を生成する。バッファ増幅器は、光検出器出力信号を受け取り且つバッファリングされた光検出器出力信号を生成するよう構成されている。結合キャパシタは、バッファリングされた出力信号に接続される第１の端子と、信号増幅器の信号入力に接続される第２の端子とを有する。結合キャパシタは、信号増幅器への入力における信号レベルをオフセット電圧だけシフトさせる。結合キャパシタに接続されている電子的オフセット・リセット・スイッチは、好ましくはフォトダイオードの同時のリセット中にオフセット電圧のリセットを可能にする。フォトダイオード信号のサンプリングが始まるとき、結合キャパシタに跨るオフセットもクランプされる。これが、光により発生された信号の相関した二重サンプリングを実行し、そして光検出器のキャパシタンスをリセット（放電）することにより発生される相関雑音の排除を容易にする。調整電圧がまた、信号増幅器の入力における信号と加算され、信号増幅器の動作点をスレショルドより上に設定し、それによりトランスインピーダンス、動的範囲及び線形性を改善する。
【００１１】
本発明のこれら及び他の特徴及び利点が、添付図面と共に好適な実施形態の以下の詳細な説明から当業者に明らかになるであろう。
【００１２】
【発明の実施の態様】
本発明は、極めて低い光条件、即ち、サンプリング期間当たりゼロ個の光子に近づく光子束レベルにおいて光検出器の単光子読み出しが可能である広帯域幅、超低雑音ピクセル増幅器を提供する。この回路を用いて、個々の光検出器上の入射光子を、通常のビデオ・システムに対するフロントエンドとしての撮像アレイ又は高フレーム速度の波面センサにおいて実効的に計数することができる。アプローチの主要便益の１つは、回路が例えばフォトダイオード内のアバランシェ増倍よりむしろ≦１の利得を有するフォトダイオード又は光伝導体のような既製の光検出器を用いることができることである。≦１の利得を有するそのような既知の光検出器は、製造するのにより安価、より均一、より容易、より信頼性が良く、検出器内の過剰な雑音機構の影響を受けることがより少なく、そしてアバランシェ・フォトダイオードより電磁スペクトルの非常に広い範囲をサポートする。
【００１３】
本発明に従って一般化した回路が図１に示されている。光検出が始まる前に、回路は、スイッチＳ１及びＳ２を閉じることにより初期化される。この初期状態において、任意のＣｐｄ（これはフォトダイオードＰＤ１のキャパシタンスを表す。）は放電（リセット）されている。任意のオフセット電圧が、増幅器Ａ１により増幅される。なお、増幅器Ａ１は、ソース・フォロワ増幅器のような利得１のバッファ増幅器であることが最も適している。十分なリセット時間が与えられると、キャパシタＣｃｌａｍｐの両端間の電圧（ＶｏＡ１−Ｖａｄｊｕｓｔ）は、信号入力が無い場合Ａ１の出力での電圧である。
【００１４】
ある時点で、スイッチＳ１及びＳ２の両方を閉じて、回路をサンプリング・モードに設定する。ＰＤ１からのいずれの光電電荷が、Ｃｐｄの両端間で積分される。Ｃｐｄの両端間の電圧は、バッファ増幅器Ａ１の入力を与え、そして増幅された信号は、直列キャパシタンスＣｃｌａｍｐを介して信号増幅器Ａ２（以下で説明するように、反転増幅器であることが適している。）の入力に容量結合される。Ｃｃｌａｍｐの両端間の電圧は、スイッチＳ２が開くことにより実効的にクランプされてしまう。従って、Ａ２の入力での電圧は、（信号＋ＶｏＡ１）−（ＶｏＡ１−Ｖａｄｊｕｓｔ）に、又はより単純には、（信号＋Ｖａｄｊｕｓｔ）となるであろう。Ｖａｄｊｕｓｔは、スレショルドより上であり且つ大きいトランスインピーダンス、利得及び動的範囲を生成するよう選定される範囲に信号増幅器Ａ２の動作点を固定するよう設定されるのが好ましい。
【００１５】
特定の実施形態が図２に示され、そこにおいてソース・フォロワ増幅器が、光検出器のダイオードＰＤ３のキャパシタンス上に蓄積された光電荷を有意の電圧に、フォトダイオードか又は特定のソース・フォロワ設計かのいずれかにより制限される信号帯域幅で変換する。光検出器がまた比較的高いインピーダンスの光伝導体であるとはいえ、全てのキャリヤに対する発生速度は、適用可能な積分時間の間に蓄積キャパシタンスを飽和させないよう十分低くなければならない。Φｒｓｔがハイであるとき、Ｑ２０は、光検出器ダイオードＰＤ３の両端間のバイアス電圧を設定する。積分時間中にＰＤ３のキャパシタンスの両端間に生成されたノード１０の信号が、ソース・フォロワＦＥＴ　Ｑ２１により増幅され且つバッファされ、そのソース・フォロワＦＥＴ　Ｑ２１は、Ｑ２２により電流バイアスされる。電圧Ｖｂｉａｓ（Ｑ２２のゲートにおける）は、サブスレショルド領域でＱ２２をバイアスするように設定され、その輝度を最小にすることが好ましい。この輝度は、そのような最小化がなされなければ、雑音を増大させ、積分時間が長い場合には使用可能な動的範囲（ダイナミック・レンジ）を損なうおそれがある。
【００１６】
検出器及び増幅器のトランジスタＱ２１の組み合わされたキャパシタンスにより確立されたトランスインピーダンスが典型的なビデオ速度で約１０個のｅ−より下の雑音レベルを読み出すことを促進しないので、本発明は、コンパクトな反転増幅器段と一緒にレベル・シフト段を用いることが好ましい。ＦＥＴ　Ｑ２４及びＱ２５から成る反転増幅器が、用いられるプロセス及びインバータ増幅器の構成によって変わる数十から数百の電圧利得で低雑音信号をブーストする。
【００１７】
ソース・フォロワＦＥＴ　Ｑ２１の出力が、積分の開始時にＱ２３のゲートに印加されるリセット信号ΦＣＤＳの制御下で、直列のキャパシタＣｃｌａｍｐにより最初に容量結合される。所定の積分時間の間信号を積分した後に、積分された信号は、クランプ・キャパシタを介して増幅器ＦＥＴ　Ｑ２４へ向けてサンプリングされる。このように促進されたクランピング及びサンプリングは、光で生じた信号の相関した二重サンプリングを実行する。この信号は本質的に回路により誘発される雑音を含まないが、この信号は、続いて、増幅器ＦＥＴ　Ｑ２４及びバイアスＦＥＴ　Ｑ２５から成るコンパクトな増幅器を駆動する。増幅器ＦＥＴ　Ｑ２４を駆動する信号は、（光信号）＋（オフセット電圧）から（積分の開始時にＣｃｌａｍｐ上に最初に蓄積されるオフセット電圧）を引いた差である。それにより、検出器キャパシタンスをリセットすることにより発生された相関した雑音が排除される。ＰＤ３及びＦＥＴ　Ｑ２１のゲートのキャパシタンスを最小にすることにより、基本的なトランスインピーダンスを１次まで最大にして、キャパシタＣｃｌａｍｐの必要な大きさを最小にすることができる。サブエレクトロンの読み出し雑音を助長するため、Ｃｃｌａｍｐは、最小で、２９５Ｋの室温での動作に対して少なくとも１ｆＦでなければならない。
【００１８】
Ｃｃｌａｍｐ及びバイアス・トランジスタＱ２３から成るクランピング回路がまた、トランジスタＱ２４及びＱ２５から成るコンパクトな増幅器の動的な全範囲を働かすことと両立する静止動作点で最小の信号レベルを設定するコンパクトな方法を実行する。クランピング回路は、こうして、相関した二重サンプリングと動的範囲管理の両方を促進する。
【００１９】
光検出器及びＦＥＴ　Ｑ２１のゲートの組み合わされた合計キャパシタンスが実際には最小で、≧５ｆＦであるので、コンパクトな増幅器への入力において定義された最大の光変換利得は、従って３２μＶ／ｅ−である。出力を基準とした最小読み出し雑音が実際のビデオ・カメラで２５０μＶから１ｍＶのオーダである必要があるので、量子を検出する能力は、コンパクトな増幅器が１０から３０までの最小電圧利得を与えることを要求する。これは、大部分のサブミクロンＣＭＯＳプロセス技術において最小負荷トランジスタ・ゲート長を有するＣＭＯＳ反転増幅器を介してコンパクトに促進される。
【００２０】
他方、幾つかの応用のため、有効な検出器のための典型的な検知キャパシタンスは、多くの場合１００ｆＦほどであろう。この場合、コンパクトな増幅器は、最大６００の電圧増幅を与える必要がある。これは、図３の代替実施形態において、カスコード・トランジスタＱ２８をインバータ段に加えて電圧利得を増大させることにより達成される。再度言うと、負荷ＦＥＴは、最小のゲート長、例えば、典型的には０．２５μｍＣＭＯＳ技術に対して０．２５から０．３２μｍのゲート長を有して、増幅器の利得を有効な値にまで一様に最小化する。
【００２１】
トランジスタＱ２６及びＱ２７を備えるＣＭＯＳ伝達スイッチを介してΦａｃｃｅｓｓが信号をバスに供給するのを可能にすることにより、低雑音ピクセル増幅器の出力がピクセルから読み出される。多くのケースにおいて、そのスイッチが、一方の極性又は他方の極性のトランジスタに単純化されることができる。それは、インバータ増幅器が、レール（ｒａｉｌ）からレールまで振れないからである。更に、高レベル信号の圧縮及び消滅（ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ）が、１つの適切な極性のスイッチ・トランジスタを適切に選定することにより実行される。
【００２２】
次いで、ピクセル増幅器の出力信号は、続いて、特定の応用のため寄生バス・キャパシタンスＣＬを介して、そして必要ならばピクセルに対して外部のキャパシタンスを任意に追加することにより帯域制限されて、コンパクトな増幅器の広帯域熱雑音を低減する。この好適な増幅器は、１０μｍより小さいピクセル・ピッチを持つピクセルの中への統合化と互換性があるが、この好適な増幅器は、こうして、キャパシタンス及びスペクトル応答において広範囲に動作する多くの種類の検出器を用いて量子を検出することができる。
【００２３】
バイアス電流を増幅器のトランジスタＱ２１に供給するためトランジスタＱ２２に印加される信号は、代わりに、信号の通過を使用可能及び使用不能にするのを促進するためのデューティ・サイクル化されたクロックΦｓｎａｐであることができる。この特徴を用いて、２次元撮像アレイに跨る像の同期積分を促進することができる。こうしてΦｒｓｔ同期クロックをその２次元撮像アレイに印加して、均一なリセット時間を与え、且つΦｓｎａｐ同期クロックを撮像センサの両端間に適切に印加して、最初にリセット電圧をＣｃｌａｍｐに蓄積し、次いでモザイクの中の全てのトランジスタＱ２４のゲート・キャパシタンス上へフォトボルテージ（光電圧）をサンプリングすることにより、スナップショット像形成が促進される。
【００２４】
図４は第２の代替実施形態のための概略回路を示し、そこにおいてキャパシタンスの一層広い範囲が同じ基本的設計によりサポートされる。この場合、スイッチングされたバイアスＶｓｅｌｅｃｔが、構成トランジスタＱ２９に交互に印加されて、コンパクトな増幅器のための基本的構成か又はカスコード構成かのいずれかを促進する。従って、単一量子の検出は、特定の増幅器設計に応じて、５ｆＦから１２５ｆＦを越えたところまでの広い範囲の検出器キャパシタンスに対して実行されることができる。
【００２５】
図５は、０．２５μｍＣＭＯＳ技術を用いて、１０μｍよりかなり小さいピクセル・ピッチまで拡張可能である第３の代替実施形態を示す。この実施形態に対しては、コンパクトな増幅器が、ピクセル及び外部サポート回路の間に分散配置されており、増幅器ＦＥＴ及び二重目的（ピクセル・アクセス及びカスコード）ＦＥＴ　Ｑ３２が、ピクセルの中に配置されている一方、この増幅器のバイアス電流を供給する電流源が、例えば、撮像アレイの中のピクセルの各列又は各行をサポートする回路の中に配置されている。より多くの半導体範囲がその列又は行の端部で使用可能であるので、電流源は、様々な手段を介して容易に調整可能であり、そして各ピクセルでの回路は、更に一層小さい範囲の中にぴったりはまることができる。
【００２６】
低雑音レベル・シフトさせることによってもまた、図６におけるように、インバータの代わりに差動増幅器の使用が可能になる。代替差動増幅器は、尾部トランジスタＱ４０、増幅器トランジスタＱ４１及びＱ４２、及び負荷抵抗Ｒ１及びＲ２から成る。必要な利得に応じて、当業者はまた、負荷抵抗が代わりにトランジスタになり得ることを認めることができる。
【００２７】
第４の代替実施形態は、少なくとも２つのモードで動作されて、非反転ビデオ信号か又は反転ビデオ信号かのいずれかを生成することができる。いずれのモードにおいても、Ｃｃｌａｍｐ上に蓄積されたオフセット電圧が、Φｓａｍｐｌｅ−１及びΦｓａｍｐｌｅ−２の両方を使用可能にすることにより、差動増幅器の反転入力及び非反転入力の両方の上へサンプリングされる。フォト信号＋オフセットが積分時間の終わりえで読み取られたとき、Φｓａｍｐｌｅ−１か又はΦｓａｍｐｌｅ−２かのいずれかが使用可能にされて、反転された読み出し又は非反転された読み出しが実行される。
【００２８】
図６の代替実施形態はまた、Φｒｓｔ、ΦＣＤＳ、Φｓａｍｐｌｅ−１及びΦｓａｍｐｌｅ−２を含む様々なクロッキング動作を撮像アレイに同期して適用することによりスナップショット像形成を行うことが可能である。様々なΦａｃｃｅｓｓクロックを別々に使用可能にすることにより、積分された信号を読み出すプロセスのみが、異なる時間に撮像アレイの両端間に生じる。
【００２９】
負帰還を適切な要領で適用することにより、差動増幅器の閉ループ利得を外部で設定することができる。
本発明の超低雑音増幅器は、次式のように表すことができる合計トランスインピーダンスを与える。
【００３０】
【数２】
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【００３１】
ここで、ｔｉｎｔは積分時間であり、Ｃｄｅｔは検出器キャパシタンスであり、Ｃｉｎｐｕｔは、ソース・フォロワ・トランジスタとこのノードでの任意の他のキャパシタンス、即ち漂遊及び意図的の両方との組み合わされたキャパシタンスであり、Ａｖはコンパクトな増幅器の利得である。コンパクトな増幅器は、こうして、短い積分時間又は大きなキャパシタンスのうちのいずれかから生じるトランスインピーダンスにおける有害な減少を緩和する。
【００３２】
本発明の幾つかの例証的実施形態が示され且つ説明されたが、多数の変形及び代替実施形態が当業者に思いつくであろう。そのような変形及び代替実施形態が意図され、そしてそれは、特許請求の範囲に定義されたような本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、本発明に従って一般化したピクセル増幅器の概略図である。
【図２】
図２は、５から２０ｆＦのオーダの検出器キャパシタンスを有する様々な光検出器の単光子読み出しに適する超低雑音、高利得、広帯域幅ピクセル増幅器の一実施形態の概略図である。
【図３】
図３は、２５から１２５ｆＦのオーダの検出器キャパシタンスを有する様々な光検出器の単光子読み出しに適する超低雑音、高利得、広帯域幅ピクセル増幅器の代替実施形態の概略図である。
【図４】
図４は、大きいキャパシタンス範囲を有する様々な光検出器の単光子読み出しのための超低雑音、高利得、広帯域幅ピクセル増幅器の別の代替実施形態の概略図である。
【図５】
図５は、約２５から最大数百フェムトファラッドの範囲にある検出器キャパシタンスを有する様々な光検出器の単光子読み出しに適する超低雑音、高利得、広帯域幅ピクセル増幅器の別の代替実施形態の概略図である。
【図６】
図６は、約５から最大数百フェムトファラッドの範囲にある検出器キャパシタンスを有する様々な光検出器の単光子読み出しに適する超低雑音、高利得、広帯域幅ピクセル増幅器の更に別の代替実施形態の概略図である。
【図１】
2004511149.tif 000005
【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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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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