(57)【要約】【課題】電磁放射を検出するデバイスを提供する。【解決手段】本発明は、並列された要素センサ（１）のマトリックスを具備し、それぞれは、各センサに固有の、シーケンシャルアドレッシングリード回路が形成される共通基板を有し、それによって、多数のピクセルを構成し、放射とセンサとの相互作用は、それらの次の処理のために、電荷を生成して電圧に変換し、前記各センサは、注入トランジスタ（２）を介してバイアスされ、その端子の中の１つは、積分キャパシタ（３）に接続され、積分フェーズの間にセンサによって生成された電荷を格納し、その結果、電荷量を電圧へ変換するために処理する、電磁放射を検出するデバイスにおいて、前記マトリックスの各ピクセルは、当該ピクセルによって受信された放射フラックスに拘わらず、各要素センサによって生成された電流を基準電流と呼ばれる最大値に制限するための電流制限デバイス（５）に関する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
並列された要素センサ（１）のマトリックスを具備し、
それぞれは、前記各センサに固有の、シーケンシャルアドレッシングリード回路が形成される共通基板を有し、それによって、多数のピクセルを構成し、
放射とセンサとの相互作用は、それらの次の処理のために、電荷を生成して電圧に変換し、
前記各センサは、注入トランジスタ（２）を介してバイアスされ、
その端子の中の１つは、積分キャパシタ（３）に接続され、積分フェーズの間に前記センサによって生成された電荷を格納し、
その結果、電荷量を電圧へ変換するために処理する、電磁放射を検出するデバイスにおいて、
前記マトリックスの各ピクセルは、当該ピクセルによって受信された放射フラックスに拘わらず、前記各要素センサによって生成された電流を基準電流と呼ばれる最大値に制限するための電流制限デバイス（５）に関する
ことを特徴とする電磁放射を検出するデバイス。
【請求項２】
前記電流制限デバイス（５）は、検出器電流の測定値と基準電流値の２個の入力信号をそれぞれ受信し、かつ、前記注入トランジスタ（２）を制御するのに適切な物理量からなる出力信号を転送することを特徴とする請求項１に記載の電磁放射を検出するデバイス。
【請求項３】
前記電流制限デバイス（５）は、前記要素センサのバイアス回路に関するフィードバック部に設けられることを特徴とする請求項１に記載の電磁放射を検出するデバイス。
【請求項４】
前記電流制限デバイス（５）は、少なくとも、
前記積分キャパシタ（３）に電荷を与える前記センサの電流を基準値と比較する電流比較器（７）と、
上述のようになされた比較に基づき、前記注入トランジスタ（２）のグリッド電圧を変更する回路（８）と
を具備することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電磁放射を検出するデバイス。
【請求項５】
センサ電流は、電流ミラー（６，Ｍ１，Ｍ２）によって複製され、電流比較器（７，Ｍ５）の入力に接続され、
前記比較器の他の入力は、基準電流ｉｒｅｆを受信し、
前記比較器は、複製された電流と基準電流とを合計し、
その結果の電流は、順に、増幅され、かつ、前記注入トランジスタを介してバイアス電圧に変換される
ことを特徴とする請求項４に記載の電磁放射を検出するデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁放射を検出するデバイスに関し、特に、赤外放射、紫外線放射、Ｘ線、及び可視領域の検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
本デバイスは、そのような放射に感度のあるセンサを使用し、かつ、赤外領域については、周辺温度で動作するボロメータを使用した赤外検出器に対立するものとして、非常に低い温度（液体窒素に近い）で動作する量子検出器を使用する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
電磁放射検出器の分野では、マトリックスの形態で配列されたデバイスをどのように使用するかは周知である。そのデバイスは、多数のライン及びカラムを持つマトリックスを形成するために、複数の並列された要素センサを具備している。電磁放射とこれらの要素センサの相互作用は、「ピクセル」とも呼ばれ、入射放射のエネルギーに対応するエネルギー、及び／又は、量子の電荷キャリアフローを生成する。一般に、電荷キャリアは、電子、又は、伝導ギャップからなっている。
【０００４】
電荷キャリアフラックスは、アナログ信号を形成するためのセンサに関連するリード回路に向かって流れる。次いで、これらの信号は、後に、入射光の機能である可視画像の再構築のために処理される。
【０００５】
故に、所定の範囲の電磁放射に感度のあるピクセルマトリックスからなるイメージャ(imager)が作成される。
【０００６】
図１は、赤外領域の要素検出器に関するリード回路を図示している。前記検出器は、一般に、フォトダイオードからなり、かつ、ＭＯＳＦＥＴ注入トランジスタを使用している。
【０００７】
この場合では、注入トランジスタＭｉｎｊ２のグリッドＧに印加された電圧を介して、フォトダイオードｄｐｈ１はバイアス電圧に印加される。なお、注入トランジスタＭｉｎｊ２は、そのソースＳを介してフォトダイオードｄｐｈ１に接続されている、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴからなる。注入トランジスタ２のドレインＤは、積分キャパシタＣｉｎｔ３に接続されている。
【０００８】
フォトダイオード１がエネルギーｈｖとフラックスΦとを有する放射にさらされると、前記放射によって、フォトダイオードは、マッチングする注入トランジスタ２（電圧はＶＧＳである）と積分キャパシタＣｉｎｔ３とを通過する電流ｉ（Φ）を生成する。
【０００９】
積分時間Ｔの間、電流ｉ（Φ）は、次式に基づく電荷キャリアを備えたキャパシタＣｉｎｔに供給する。
【００１０】
【数１】
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【００１１】
スイッチ４は、キャパシタ３から、電荷Ｑｉｎｔ（Φ、Ｔ）を、例えば、それ自体は既知の方法で、この電荷を電圧に変換するための増幅器に、移動するよう動作する。
【００１２】
Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ注入トランジスタ、又は、接合ゲート電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、又は、バイポーラトランジスタを使用することが可能なことは明らかである。これらの多様なトランジスタは、Ｎ又はＰ添加であってもよく、濃縮されるか、又は、除去されるかであってもよい。
【００１３】
入射フォトフラックスが強烈すぎれば、要素検出器に生成された電流は、急速に高くなりすぎ、そして、マトリックスの全ての検出器のデポラリゼーションが観測される。そのような状態では、結果的に、マトリックスがブルーム(bloom)され、かつ、可視画像の再構築は危険にさらされるか、又は、不可能でさえある。換言すれば、単一ピクセル、又は、わずかなピクセルコンポーネントがこのブルーミングによって影響を受けても、画像全体が黒くなる。
【００１４】
この誤動作を克服するために、過剰電流のクランプに基づいた耐ブルーミングデバイスが提案された。しかし、これは、検出器自体の飽和を防いでいない。
【００１５】
本発明の目的は、問題になっているタイプの検出デバイスを提案することである。それは、ブルーミング問題を克服し、しかし、実際の検出器に作用することがなく、しかし、前記検出器に関する電子回路に一層作用し、したがって、特に、リード回路に作用する。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、電磁放射を検出するデバイスに関し、並列された要素センサのマトリックスを具備し、それぞれは、各センサに固有の、シーケンシャルアドレッシングリード回路が形成される共通基板を有し、放射とセンサとの相互作用は、それらの次の処理のために、電荷を生成して電圧に変換し、前記各センサは、注入トランジスタを介してバイアスされ、その端子の中の１つは、積分キャパシタに接続され、積分フェーズの間にセンサによって生成された電荷を格納し、その結果、電荷量を電圧へ変換するために処理する。
【００１７】
本発明の１特徴によれば、前記マトリックスの各ピクセルは、要素センサ及びその固有リード回路を具備し、当該ピクセルによって受信された放射フラックスに拘わらず、各要素センサによって生成された電流を基準電流と呼ばれる最大値に制限するための電流制限デバイスに関する。
【００１８】
換言すれば、本発明は、必要であれば、検出されたフラックスの極端に高いフラックスに、検出器の感度を低下するため、当該センサにバイアス電圧における変化を適切に引き起こすように、要素センサに作用するのではなく、当該リード回路に直接作用する。
【００１９】
本発明によれば、電流制限デバイスは、検出器電流の測定値と基準電流値の２個の入力信号をそれぞれ受信し、かつ、そこに、注入トランジスタを制御するのに適切な物理量からなる出力信号を転送する。
【００２０】
本発明によれば、電流制限デバイスは、少なくとも、
１）積分キャパシタに電荷を与えるセンサの電流を基準値と比較する電流比較器
２）上述のようになされた比較に基づき、注入トランジスタのグリッド電圧を変更する回路
を具備する。
【００２１】
本発明によれば、電流制限デバイスは、要素センサのバイアス回路に関するフィードバック部に設けられる。そのフィードバック部のため、前記システムバランス自体は外部作用がなく独立である。実際に、このフィードバック部のため、サーボ制御され、かつ、安定したシステムが得られる。出力信号の増加は、入力励振の減少を生じる。基準電流は、定電流源ｉｒｅｆによってマッチング可能であり、比較器に作用する。この電流の値は、検出されるフラックス、感度、及び検出器のタイプの値に基づき、選択される。
【００２２】
好ましくは、センサ電流は、電流ミラーによって複製(duplicate)され、電流比較器の入力に接続され、前記比較器の他の入力は、基準電流ｉｒｅｆを受信し、前記比較器は、複製された電流と基準電流とを合計し、その結果の電流は、順に、増幅され、かつ、注入トランジスタを介してバイアス電圧に変換される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明が実施される方法及び利点は、参照のために提供され、かつ、非限定の以下の代表的な実施形態、及び、添付図面によって、より明確に明らかになる。
【００２４】
図２は、本発明に基づく検出デバイスの一般的な原理を図示している。
【００２５】
以下の説明は、フォトダイオードを使用した赤外検出器の説明により関係する。しかし、前記コンポーネントを、特に、Ｘ線、可視領域、紫外線領域を検出する放射のタイプに適合させるように、要求されたコンポーネントを、変更することができることは、当業者には明らかである。
【００２６】
本実施例では、フォトダイオード１は、図１に関連して説明されたフォトダイオードと同一タイプ、かつ、同一特性のフォトダイオードが使用される。
【００２７】
図に示されているように、本発明に基づく電流リミッタ５は、注入トランジスタ２のグリッドＧ上のフィードバック部に設けられている。このために、まず、電流リミッタ５は、トランジスタＭ１とトランジスタＭ２からなる（図４参照）電流ミラー６を具備している。トランジスタＭ１とトランジスタＭ２の電流比は、１に等しいものが選択されるが、これに限定されるものではない。
【００２８】
前記電流ミラーは、当業者に周知であるので、本明細書において、さらに詳細を説明する必要はない。そのような電流ミラーは特定の回路であることが単純に想起されなければならない。本実施例では、初期電流を反射する（複製する）ために、２個のトランジスタを用いて構成され、本実施例では、積分キャパシタ３から出力電流に放出し、本実施例では、入射電流に対して同一か、又は、任意に比例し、出力電流に接続された負荷に独立であり、かつ、本実施例では、以下にさらに詳細を説明する比較器７に関する。
【００２９】
換言すれば、トランジスタＭ２における電流は、電流ｉ（Ｃｉｎｔ）の画像であるので、即ち、
ｉｄｓ（Ｍ２）＝ｉｄｓ（Ｍ１）＝ｉ（Ｃｉｎｔ）
である。
【００３０】
本発明によれば、基準電流ｉｒｅｆは、電流源手段（図示せず）によって注入される。そして、これを実行するため、図３に示すように、２個のトランジスタＭ３とＭ４とからなる電流ミラーも使用される。したがって、トランジスタＭ４における電流は、電流ミラーを形成するトランジスタＭ３の画像である。
【００３１】
より単純なデバイにとっては、このような電流ミラーが不可欠なものではないことは明らかである。したがって、基準電流は、以下に説明されるトランジスタＭ５のドレインに直接印加してもよい。
【００３２】
好ましくは、トランジスタＭ３は、いくつかのピクセルに共通であってもよく、このために、共有されたソースとして、当該ピクセルの外部に配置してもよい。
【００３３】
前記電流比較器７は、既述のように、積分キャパシタ３から出力する電流に対応する入力電流ｉｄｓ（Ｍ２）と、基準電流に対応する出力電流ｉｄｓ（Ｍ４）とを合計する本実施例のトランジスタＭ５（図３）からなり、次式を与える。
ｉｄｓ（Ｍ５）＝ｉｄｓ（Ｍ２）−ｉｄｓ（Ｍ４）＝ｉｄｓ（Ｃｉｎｔ）−ｉｒｅｆ
【００３４】
このように動作するには、トランジスタＭ２から出力する電流が、トランジスタＭ４から出力する電流よりも高ければ、即ち、積分キャパシタ３から出力する電流が、電流セットポイント、又は、基準電流ｉｒｅｆよりも高ければ、その結果、Ｍ５における電流は正である。逆の場合には、Ｍ５における電流はゼロであり、故に、基準電流ｉｒｅｆはある閾値を構成する。
【００３５】
本実施例のトランジスタＭ５とＭ６からなる新規の電流ミラーは、トランジスタＭ５から得られる電流を複製する。
【００３６】
ソースがバイアス電圧に接続されるトランジスタＭ７を具備する増幅器は、電流ミラーＭ５及びＭ６から出力する電流によってトラバース(traverse)され、かつ、次式に基づく注入トランジスタ２のグリッドＧに印加された電圧を生成する。
Ｖ（Ｇ）＝Ｖ（ｐｏｌ）−（１／ＧＭ７）．ｉｄｓ（Ｍ７）＝Ｖ（ｐｏｌ）−（Ｒ７）．ｉｄｓ（Ｍ７）．
最終的に次式となる。
Ｖ（Ｇ）＝Ｖ（ｐｏｌ）−（Ｒ７）．（ｉｄｓ（Ｃｉｎｔ）−ｉｒｅｆ））．
【００３７】
このように動作するには、前記積分キャパシタ３から放出する電流が閾値電流ｉｒｅｆの値を超過すれば、その結果、それはこの値に制限される。一方で、電流が閾値電流よりも低ければ、注入トランジスタ２のグリッドＧにおいて、バイアス電圧の変化は発生しない。
【００３８】
前記積分キャパシタが充電される、即ち、飽和するとき、注入トランジスタ２のドレイン電位がＶｄｓ＝０に降圧することが分かる。その結果、トランジスタは、ブロックモードになり、かつ、電流の通過を防止する。即ち、積分キャパシタ３はもう電荷を受け付けなくなる。
【００３９】
特に代表的な実施形態では、０．５μｍ技術の電流制限デバイスの多様なＭＯＳＦＥＴトランジスタの寸法は、例えば、μｍの単位で表される。
Ｍｉｎｊ＝３／１；Ｍ１からＭ６：１／１；Ｍ７：１／５
Ｗ／Ｌ＝３／１  Ｍｉｎｊのために
Ｗ／Ｌ＝１／１  Ｍ４からＭ６のために
Ｗ／Ｌ＝１／５  Ｍ７のために
【００４０】
上記アセンブリは、注入トランジスタ２のグリッドＧにフィードバック効果を生成する。そのように動作するには、２つの状態がそれに従って起こりうる。
・基準電流の値以下
フィードバック部は動作しない。その結果、リード回路は、フォトフラックスによって生成された電流のインテグリティを尊重する。
・基準電流以上
積分キャパシタにおける電流変化は、注入トランジスタ２のグリッドに電位変化を引き起こす。この変化は、順に、検出器のバイアス電圧に類似の変化を引き起こし、検出器の電流、及び、許容電流を基準電流の値に低下する傾向がある。
【００４１】
図４は、曲線の形態で、本発明に基づく電流リミッタの動作の置き換えを示している。
【００４２】
したがって、第１曲線は、回路の入力におけるフォトフラックスから得られる電流の変化を示している。即ち、フォトダイオードによって生成された電荷キャリアから得られる電流である。
【００４３】
特に、そのような変化が、リード回路に接続されていない、基準フォトダイオードに対して示され、かつ、本発明に基づくリード回路に関するフォトダイオードに対する同一の変化が示されている。
【００４４】
したがって、２００ｎＡに固定された閾値電流に対して、各曲線は、フォトフラックスの基準電流とフォトダイオードを通過する電流との間に重ね合わせられていることが分かる。一方では、この電流の上に、この値（破線）にフォトダイオードによって生成された電流の制限がある。
【００４５】
次の曲線は、トランジスタＭ６のグリッド電圧の変化を示している。基準電流に達するとき、複製された電流がちょうど基準電流を超過するので、この電圧が急激に上昇することが分かる。
【００４６】
第３曲線は、注入トランジスタのグリッド電圧の変化を示している。基準電圧を超過するとき、当該フォトダイオードのバイアスを減少するために、バイアス電圧が降下することが分かる。
【００４７】
最後の曲線は、積分キャパシタ３の端子における電圧の変化を示している。閾値に達するときでさえ、電圧が測定されることが分かる。ピクセルの処理にインタラプションがない。
【００４８】
本発明は多様な利点を有する。
【００４９】
まず、本デバイスを用いて、検出器のデポラリゼーション問題は、要素センサに対する任意の直接的な作用がなく、電子的な解決策を使用することによって克服されることが分かる。これは、例えば、特に、注目されるレーザ信号による赤外検出器の攻撃などのブルーミング問題を克服する。
【００５０】
また、本発明のデバイスの存在によって、閾値以下における検出器の測定が劣化しないことは重要な事実である。
【００５１】
さらに、データ損失は、マトリックス全体ではなく、ブルーミングを受けているピクセルだけに関係する。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】図１は、従来技術に基づく検出器の要素センサのリード回路の概略図である。
【図２】図２は、本発明に基づく電流リミッタの処理原理を図示する概略図である。
【図３】図３は、ＣＭＯＳマイクロ電子技術を実行する、本発明の電流リミッタの１つの潜在的な実施形態を図示する概略図である。
【図４】図４は、本発明に基づく電流リミッタの動作を強調する、要素センサのいくつかのコンポーネントの端子、又は、それに関係するリード回路の端子における電流及び電圧の変化を図示する一連のグラフを示している。
【符号の説明】
【００５３】
１  フォトダイオード
２  注入トランジスタ
３  積分キャパシタ
４  スイッチ
５  電流リミッタ
６  電流ミラー
７  比較器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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