JPH05142039A - 赤外線センサ - Google Patents
赤外線センサInfo
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- JPH05142039A JPH05142039A JP30775691A JP30775691A JPH05142039A JP H05142039 A JPH05142039 A JP H05142039A JP 30775691 A JP30775691 A JP 30775691A JP 30775691 A JP30775691 A JP 30775691A JP H05142039 A JPH05142039 A JP H05142039A
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Landscapes
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 自己発熱が小さく、赤外線検出感度や最小検
出能が劣化することのない赤外線センサを提供すること
を目的とする。 【構成】 半導体基板11に照射された赤外線は赤外線
吸収膜19に効率良く吸収される。この時、受光領域の
半導体基板11の裏面は薄層化されているため、吸収さ
れた赤外線の熱エネルギは逃げにくい。赤外線吸収膜1
9の温度はこの熱エネルギによって上昇し、この温度上
昇は受光領域の中心付近に設けられたセンサ用ダイオー
ドDF に伝えられる。センサ用ダイオードDF には定電
流ダイオードDR から絶対値の小さな定電流が供給され
ており、ダイオードDF の通電電流は赤外線照射による
温度上昇に対応して変化する。
出能が劣化することのない赤外線センサを提供すること
を目的とする。 【構成】 半導体基板11に照射された赤外線は赤外線
吸収膜19に効率良く吸収される。この時、受光領域の
半導体基板11の裏面は薄層化されているため、吸収さ
れた赤外線の熱エネルギは逃げにくい。赤外線吸収膜1
9の温度はこの熱エネルギによって上昇し、この温度上
昇は受光領域の中心付近に設けられたセンサ用ダイオー
ドDF に伝えられる。センサ用ダイオードDF には定電
流ダイオードDR から絶対値の小さな定電流が供給され
ており、ダイオードDF の通電電流は赤外線照射による
温度上昇に対応して変化する。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は赤外線照射による温度変
化を検知して赤外線照射を電気信号に変換する赤外線セ
ンサに関するものである。
化を検知して赤外線照射を電気信号に変換する赤外線セ
ンサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、この種の熱型赤外線センサとして
は、図8(a)に示されるサーモパイルや、同図(b)
に示されるボロメータなどがある。
は、図8(a)に示されるサーモパイルや、同図(b)
に示されるボロメータなどがある。
【0003】サーモパイルにおいては、半導体基板1上
で異なる熱電材料層2,3が堆積され、各層2,3が電
気的に接続されている。この接続部には赤外線吸収膜4
が覆われている。赤外線はこの吸収膜4に効率良く吸収
され、吸収膜4は赤外線照射量に応じた分だけ温度上昇
する。この温度上昇は定電流が通電されている熱電材料
層2,3に伝えられ、これら各層2,3の接続部に生じ
る熱起電力によって温度変化が検出される。この温度検
出により、赤外線の照射が検知される。
で異なる熱電材料層2,3が堆積され、各層2,3が電
気的に接続されている。この接続部には赤外線吸収膜4
が覆われている。赤外線はこの吸収膜4に効率良く吸収
され、吸収膜4は赤外線照射量に応じた分だけ温度上昇
する。この温度上昇は定電流が通電されている熱電材料
層2,3に伝えられ、これら各層2,3の接続部に生じ
る熱起電力によって温度変化が検出される。この温度検
出により、赤外線の照射が検知される。
【0004】ボロメータにおいては、半導体基板5上に
電極6,7が形成されており、これら各電極6,7は抵
抗体8によって接続されている。抵抗体8上には赤外線
吸収膜9が覆われており、赤外線吸収による温度上昇は
抵抗体8に伝えられる。抵抗体8はこの温度上昇によっ
てその導電率が変化する。従って、各電極6,7に定電
流を通電してこの導電率変化を検出することにより、赤
外線の照射が検知される。
電極6,7が形成されており、これら各電極6,7は抵
抗体8によって接続されている。抵抗体8上には赤外線
吸収膜9が覆われており、赤外線吸収による温度上昇は
抵抗体8に伝えられる。抵抗体8はこの温度上昇によっ
てその導電率が変化する。従って、各電極6,7に定電
流を通電してこの導電率変化を検出することにより、赤
外線の照射が検知される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の熱型赤外線センサにおいては次のような問題があ
る。つまり、熱起電力変化や導電率変化を検出するため
に熱電材料層2,3や電極6,7へ定電流を供給しなけ
ればならいが、電流値の小さな定電流を供給することは
定電流源の制御が困難なことから難しい。従って、熱電
材料層2,3や電極6,7へは比較的大きな定電流を供
給せざるを得ず、赤外線センサにおける消費電力は多く
なる。このため、熱電材料層2,3の堆積部や抵抗体8
における自己発熱は無視できなくなる。この結果、熱型
センサの赤外線照射に対する感度は低下し、赤外線最小
検出能は悪化した。
来の熱型赤外線センサにおいては次のような問題があ
る。つまり、熱起電力変化や導電率変化を検出するため
に熱電材料層2,3や電極6,7へ定電流を供給しなけ
ればならいが、電流値の小さな定電流を供給することは
定電流源の制御が困難なことから難しい。従って、熱電
材料層2,3や電極6,7へは比較的大きな定電流を供
給せざるを得ず、赤外線センサにおける消費電力は多く
なる。このため、熱電材料層2,3の堆積部や抵抗体8
における自己発熱は無視できなくなる。この結果、熱型
センサの赤外線照射に対する感度は低下し、赤外線最小
検出能は悪化した。
【0006】また、熱電材料層堆積部や抵抗体によって
構成される赤外線検出部を複数個並べて赤外線センサア
レイを構成し、画像を撮像する場合においては次のよう
な問題があった。つまり、各赤外線検出部に同一の定電
流を供給することが困難であるため、各赤外線検出部に
おける赤外線検出量は異なってしまう。この結果、撮像
される画像に大きな固定パターンノイズが発生した。
構成される赤外線検出部を複数個並べて赤外線センサア
レイを構成し、画像を撮像する場合においては次のよう
な問題があった。つまり、各赤外線検出部に同一の定電
流を供給することが困難であるため、各赤外線検出部に
おける赤外線検出量は異なってしまう。この結果、撮像
される画像に大きな固定パターンノイズが発生した。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明はこのような課題
を解消するためになされたもので、赤外線照射に基づく
温度変化に応じて通電電流が変化する順バイアスされた
第1のダイオードと、この第1のダイオードに定電流を
供給するこの第1のダイオードに直列に接続され逆バイ
アスされた第2のダイオードとを備えて赤外線センサが
構成されたものである。
を解消するためになされたもので、赤外線照射に基づく
温度変化に応じて通電電流が変化する順バイアスされた
第1のダイオードと、この第1のダイオードに定電流を
供給するこの第1のダイオードに直列に接続され逆バイ
アスされた第2のダイオードとを備えて赤外線センサが
構成されたものである。
【0008】また、第1のダイオードおよび第2のダイ
オードからなる直列回路が複数個並列に接続されて構成
されたものである。
オードからなる直列回路が複数個並列に接続されて構成
されたものである。
【0009】
【作用】逆バイアスされた第2のダイオードから第1の
ダイオードへは絶対値の小さな定電流が安定して供給さ
れ、この定電流供給を受けて流れる第1のダイオードの
通電電流は赤外線照射による温度変化に応じて変化す
る。
ダイオードへは絶対値の小さな定電流が安定して供給さ
れ、この定電流供給を受けて流れる第1のダイオードの
通電電流は赤外線照射による温度変化に応じて変化す
る。
【0010】また、第1のダイオードおよび第2のダイ
オードからなる直列回路が複数個並列に接続された場合
には、第2のダイオードから第1のダイオードへ供給さ
れる各定電流の大きさはほぼ均一になる。
オードからなる直列回路が複数個並列に接続された場合
には、第2のダイオードから第1のダイオードへ供給さ
れる各定電流の大きさはほぼ均一になる。
【0011】
【実施例】図1(a)は本発明の一実施例による赤外線
センサの主要部構造を示す断面図であり、同図(b)は
この赤外線センサの等価回路図である。
センサの主要部構造を示す断面図であり、同図(b)は
この赤外線センサの等価回路図である。
【0012】n型のシリコン半導体基板11上にはp型
のウエル12が形成され、さらにこのpウエル12には
n型のアイランド13が形成される。このアイランド1
3の形成後、半導体基板11の表層部にp+ 領域14a
〜14eが選択的に形成され、さらに、n+ 領域15a
〜15dが選択的に形成される。次に、半導体基板11
の表面に絶縁膜16が形成され、この絶縁膜16が選択
的に除去されてp+ 領域14a〜14eおよびn+ 領域
15a〜15dは露出される。ここで、n型半導体基板
11とp+ 領域14d,14eとで形成される2つのp
n接合は、定電流を供給する同図(b)に示される電流
源用ダイオードDR を構成し、nアイランド13とp+
領域14aとで形成されるpn接合は、赤外線照射によ
る温度変化を検出するセンサ用ダイオードDF を構成す
る。次に、絶縁膜16上にアルミ金属層が形成され、こ
の金属層が所定パターンにエッチングされて配線層17
a〜17gが形成される。
のウエル12が形成され、さらにこのpウエル12には
n型のアイランド13が形成される。このアイランド1
3の形成後、半導体基板11の表層部にp+ 領域14a
〜14eが選択的に形成され、さらに、n+ 領域15a
〜15dが選択的に形成される。次に、半導体基板11
の表面に絶縁膜16が形成され、この絶縁膜16が選択
的に除去されてp+ 領域14a〜14eおよびn+ 領域
15a〜15dは露出される。ここで、n型半導体基板
11とp+ 領域14d,14eとで形成される2つのp
n接合は、定電流を供給する同図(b)に示される電流
源用ダイオードDR を構成し、nアイランド13とp+
領域14aとで形成されるpn接合は、赤外線照射によ
る温度変化を検出するセンサ用ダイオードDF を構成す
る。次に、絶縁膜16上にアルミ金属層が形成され、こ
の金属層が所定パターンにエッチングされて配線層17
a〜17gが形成される。
【0013】この配線処理により、同図(b)に示され
る回路が実現される。つまり、配線層17a,17bお
よび17cが電気的に相互に接続されることにより、電
流源用ダイオードDR およびセンサ用ダイオードDF の
各アノードが接続され、センサ出力Vになる。また、配
線層17dおよび17eが電気的に相互に接続され、こ
の接続部に電源20の正電極が印加されることにより、
定電流用ダイオードDR のカソードに正電圧VDDが印加
されることになる。また、配線層17fおよび17gが
電気的に相互に接続され、この接続部に電源20の負電
極が接続されることにより、センサ用ダイオードDF の
カソードに負電圧が印加されることになる。この結果、
電流源用ダイオードDR には電源20から逆バイアスが
与えられ、センサ用ダイオードDF には電源20から順
バイアスが与えられる。また、n型半導体基板11およ
びpウエル12間には逆バイアスが与えられ、基板11
およびpウエル12間は電気的に分離される。
る回路が実現される。つまり、配線層17a,17bお
よび17cが電気的に相互に接続されることにより、電
流源用ダイオードDR およびセンサ用ダイオードDF の
各アノードが接続され、センサ出力Vになる。また、配
線層17dおよび17eが電気的に相互に接続され、こ
の接続部に電源20の正電極が印加されることにより、
定電流用ダイオードDR のカソードに正電圧VDDが印加
されることになる。また、配線層17fおよび17gが
電気的に相互に接続され、この接続部に電源20の負電
極が接続されることにより、センサ用ダイオードDF の
カソードに負電圧が印加されることになる。この結果、
電流源用ダイオードDR には電源20から逆バイアスが
与えられ、センサ用ダイオードDF には電源20から順
バイアスが与えられる。また、n型半導体基板11およ
びpウエル12間には逆バイアスが与えられ、基板11
およびpウエル12間は電気的に分離される。
【0014】次に、配線パターン上にパッシベーション
膜18が形成される。さらに、このパッシベーション膜
18上に、センサ用ダイオードDF および電流源用ダイ
オードDR を広く覆う赤外線吸収膜19が形成される。
この赤外線吸収膜19は上層部と下層部との組成が異な
る多層膜になっており、上層部は赤外線吸収材料から成
り、下層部は熱伝導率が良くかつ赤外線を反射する材料
から成っている。パッシベーション膜18は赤外線吸収
膜19の導電性によって各配線層17が電気的に接触す
ることを防ぐためのものであり、赤外線吸収膜19が導
電性を持たなければ必要はない。次に、n型半導体基板
11の裏面の一部がエッチングにより除去され、薄層化
される。このように半導体基板11に薄層化部分を設け
るのは、半導体基板11の熱容量を減少させて赤外線照
射による温度上昇を容易ならしめるためである。
膜18が形成される。さらに、このパッシベーション膜
18上に、センサ用ダイオードDF および電流源用ダイ
オードDR を広く覆う赤外線吸収膜19が形成される。
この赤外線吸収膜19は上層部と下層部との組成が異な
る多層膜になっており、上層部は赤外線吸収材料から成
り、下層部は熱伝導率が良くかつ赤外線を反射する材料
から成っている。パッシベーション膜18は赤外線吸収
膜19の導電性によって各配線層17が電気的に接触す
ることを防ぐためのものであり、赤外線吸収膜19が導
電性を持たなければ必要はない。次に、n型半導体基板
11の裏面の一部がエッチングにより除去され、薄層化
される。このように半導体基板11に薄層化部分を設け
るのは、半導体基板11の熱容量を減少させて赤外線照
射による温度上昇を容易ならしめるためである。
【0015】このような構成において、半導体基板11
に赤外線が照射されると、その赤外線は赤外線吸収膜1
9に効率良く吸収される。この時、受光領域の半導体基
板11の裏面は薄層化されているため、吸収された赤外
線の熱エネルギは薄層化された基板部分から逃げにく
い。従って、この熱エネルギによる温度上昇は受光領域
の中心付近に設けられたセンサ用ダイオードDF および
電流源用ダイオードDR に十分に伝えられる。センサ用
ダイオードDF はこの温度上昇により、電流源用ダイオ
ードDR から供給される定電流の通電量を変化させる。
この電流変化は以下のように説明することが出来る。
に赤外線が照射されると、その赤外線は赤外線吸収膜1
9に効率良く吸収される。この時、受光領域の半導体基
板11の裏面は薄層化されているため、吸収された赤外
線の熱エネルギは薄層化された基板部分から逃げにく
い。従って、この熱エネルギによる温度上昇は受光領域
の中心付近に設けられたセンサ用ダイオードDF および
電流源用ダイオードDR に十分に伝えられる。センサ用
ダイオードDF はこの温度上昇により、電流源用ダイオ
ードDR から供給される定電流の通電量を変化させる。
この電流変化は以下のように説明することが出来る。
【0016】まず、順バイアスされているセンサ用ダイ
オードDF に流れる順方向電流If は、拡散電流が支配
的になる領域に選択されている。この順方向電流I
f は、電子の電荷を−q,ボルツマン定数をk,絶対温
度をTとすると次式に示される。
オードDF に流れる順方向電流If は、拡散電流が支配
的になる領域に選択されている。この順方向電流I
f は、電子の電荷を−q,ボルツマン定数をk,絶対温
度をTとすると次式に示される。
【0017】 If =IS (eqv/kT −1) …(1) ただし、IS は次式に示される。
【0018】 IS =qAni 2 (Dp /Lp Nd +Dn /Ln Na ) …(2) ここで、AはダイオードDF のpn接合面積,ni は真
性キャリア密度,Dp およびDn はそれぞれ正孔および
電子の拡散係数,Lp およびLn はそれぞれ正孔および
電子の拡散距離,Nd およびNa はそれぞれドナーおよ
びアクセプタの濃度である。上記式に表される順方向電
流If は、さらにIS eqv/kT に近似される(If =I
S eqv/kT )。この順方向電流If は、ダイオード
DR ,DF の直列回路への印加電圧VF の変化に対して
図2のグラフに示される特性を有している。同グラフの
横軸は順方向印加電圧VF ,縦軸は対数目盛りで採った
順方向電流Ifを示している。また、白抜きの四角形で
示される測定点を結んだ特性線21は半導体基板11の
温度が15℃の時の特性を示しており、黒潰しの四角形
で示される測定点を結んだ特性線22は25℃の時の特
性、白抜きの菱形で示される測定点を結んだ特性線23
は35℃の時の特性を示している。
性キャリア密度,Dp およびDn はそれぞれ正孔および
電子の拡散係数,Lp およびLn はそれぞれ正孔および
電子の拡散距離,Nd およびNa はそれぞれドナーおよ
びアクセプタの濃度である。上記式に表される順方向電
流If は、さらにIS eqv/kT に近似される(If =I
S eqv/kT )。この順方向電流If は、ダイオード
DR ,DF の直列回路への印加電圧VF の変化に対して
図2のグラフに示される特性を有している。同グラフの
横軸は順方向印加電圧VF ,縦軸は対数目盛りで採った
順方向電流Ifを示している。また、白抜きの四角形で
示される測定点を結んだ特性線21は半導体基板11の
温度が15℃の時の特性を示しており、黒潰しの四角形
で示される測定点を結んだ特性線22は25℃の時の特
性、白抜きの菱形で示される測定点を結んだ特性線23
は35℃の時の特性を示している。
【0019】また、逆バイアスされている電流源用ダイ
オードDR に流れる逆方向電流Ir は、常温においては
通常再結合電流が支配的になる。ダイオードDR ,DF
には赤外線吸収膜19によって同じ温度変化が与えられ
るているため、この逆方向電流Ir は順方向電流If と
同じ温度Tを用いた次式によって示される。
オードDR に流れる逆方向電流Ir は、常温においては
通常再結合電流が支配的になる。ダイオードDR ,DF
には赤外線吸収膜19によって同じ温度変化が与えられ
るているため、この逆方向電流Ir は順方向電流If と
同じ温度Tを用いた次式によって示される。
【0020】 Ir =IR e(q/2kT)・(V-VDD) …(3) ただし、IR は次式に示されるものとする。
【0021】 IR =qAni W/2τ0 …(4) ここで、Wはpn接合部の空乏層幅,τ0 は電子のライ
フタイムである。上記式に表される逆方向電流Ir は、
さらにIR に近似される(Ir =IR )。また、ダイオ
ードDR はダイオードDF の負荷に相当するが、ダイオ
ードDR は印加電圧VF の変化に対して図3のグラフに
示す負荷特性を有している。同グラフはこのダイオード
DR の負荷特性を図2に示される順方向電流If の特性
グラフに重ねて示したものであり、横軸は印加電圧
VF ,縦軸は対数目盛りで採った逆方向電流Ir および
順方向電流If を示している。ここで、黒潰しの菱形で
示される測定点を結んだ特性線24は半導体基板11の
温度が15℃の時の負荷特性を示しており、白抜きの三
角形で示される測定点を結んだ特性線25は25℃の時
の負荷特性、黒潰しの三角形で示される測定点を結んだ
特性線26は35℃の時の負荷特性を示している。
フタイムである。上記式に表される逆方向電流Ir は、
さらにIR に近似される(Ir =IR )。また、ダイオ
ードDR はダイオードDF の負荷に相当するが、ダイオ
ードDR は印加電圧VF の変化に対して図3のグラフに
示す負荷特性を有している。同グラフはこのダイオード
DR の負荷特性を図2に示される順方向電流If の特性
グラフに重ねて示したものであり、横軸は印加電圧
VF ,縦軸は対数目盛りで採った逆方向電流Ir および
順方向電流If を示している。ここで、黒潰しの菱形で
示される測定点を結んだ特性線24は半導体基板11の
温度が15℃の時の負荷特性を示しており、白抜きの三
角形で示される測定点を結んだ特性線25は25℃の時
の負荷特性、黒潰しの三角形で示される測定点を結んだ
特性線26は35℃の時の負荷特性を示している。
【0022】ダイオードDR ,DF の直列回路には赤外
線照射による温度変化が同じように与えられるため、こ
の直列回路には各特性線の交点で決定される電流が流れ
る。つまり、温度が15℃の時には特性線21と特性線
24との交点で決まる電流が流れ、温度が25℃の時に
は特性線22と特性線25との交点、温度が35℃の時
には特性線23と特性線26との交点で決まる電流が流
れる。同グラフから理解されるように、逆方向電流Ir
の温度依存性は順方向電流If に比較して小さい。従っ
て、赤外線センサの出力電圧Vの温度特性は、順バイア
スされたダイオードDF の温度特性にほぼ従うようにな
る。また、極性が逆になるように直列に接続された2つ
のダイオードDR ,DF の両端に一定電圧を与えること
により、受光領域の温度変化はダイオード・ペアの接続
点から電圧信号として検出できることが同グラフから理
解される。
線照射による温度変化が同じように与えられるため、こ
の直列回路には各特性線の交点で決定される電流が流れ
る。つまり、温度が15℃の時には特性線21と特性線
24との交点で決まる電流が流れ、温度が25℃の時に
は特性線22と特性線25との交点、温度が35℃の時
には特性線23と特性線26との交点で決まる電流が流
れる。同グラフから理解されるように、逆方向電流Ir
の温度依存性は順方向電流If に比較して小さい。従っ
て、赤外線センサの出力電圧Vの温度特性は、順バイア
スされたダイオードDF の温度特性にほぼ従うようにな
る。また、極性が逆になるように直列に接続された2つ
のダイオードDR ,DF の両端に一定電圧を与えること
により、受光領域の温度変化はダイオード・ペアの接続
点から電圧信号として検出できることが同グラフから理
解される。
【0023】また、このように各ダイオードDR ,DF
は直列に接続されているため、逆方向電流Ir および順
方向電流If は等しく、次式が成り立つ。
は直列に接続されているため、逆方向電流Ir および順
方向電流If は等しく、次式が成り立つ。
【0024】 IR =IS eqv/kT …(5) この式をVについて解くと、次式になる。ここで、記号
「ln」は対数を表している。
「ln」は対数を表している。
【0025】 V=kT/qln(IR /IS ) …(6) さらに、この両辺をTについて微分すると、上記式は次
式に変形される。
式に変形される。
【0026】 dV/dT=k/qln(IR /IS )+ kT/q(1/IR ・dIR /dT−1/IS ・dIS /dT) =V/T+ kT/q(1/IR ・dIR /dT−1/IS ・dIS /dT) …(7) また、(2),(4) 式に示されるIS ,IR において、ni
以外のパラメータは温度変化に対して比較的鈍い。この
ため、逆方向電流のIR は真性キャリア密度ni に比例
し、この真性キャリア密度ni はT3/2 e-Eg0/2kTに比
例する。ここで、Eg0は電流源用ダイオードDR のpn
接合部におけるエネルギギャップであり、この関係は比
例関係を記号「∞」で表現すると次式に示される。
以外のパラメータは温度変化に対して比較的鈍い。この
ため、逆方向電流のIR は真性キャリア密度ni に比例
し、この真性キャリア密度ni はT3/2 e-Eg0/2kTに比
例する。ここで、Eg0は電流源用ダイオードDR のpn
接合部におけるエネルギギャップであり、この関係は比
例関係を記号「∞」で表現すると次式に示される。
【0027】 IR ∞ni ∞T3/2 e-Eg0/2kT …(8) この式をTについて微分し、IR で割ると次式に変形さ
れる。
れる。
【0028】 1/IR ・dIR /dT=3/2T+Eg0/2kT2 …(9) また、順方向電流のIS は真性キャリア密度ni の二乗
ni 2 に比例し、このni 2 はT3 e-Eg0/ kTに比例す
る。この関係は次式に示される。
ni 2 に比例し、このni 2 はT3 e-Eg0/ kTに比例す
る。この関係は次式に示される。
【0029】 IS ∞ni 2 ∞T3 e-Eg0/ kT …(10) この式をTについて微分し、IS で割ると次式に変形さ
れる。
れる。
【0030】 1/IS ・dIS /dT=3/T+Eg0/kT2 …(11) 式(9) ,(11)を式(7) に代入すると、出力電圧Vの温度
Tに対する変化dV/dTは次式に示される。
Tに対する変化dV/dTは次式に示される。
【0031】 dV/dT=V/T+kT/q(−3/2T−Eg0/2kT2 ) …(12) 常温では3/2T<<Eg0/2kT2 であるので、3/
2Tの項を無視すると、上記式は次式に変形される。
2Tの項を無視すると、上記式は次式に変形される。
【0032】dV/dT=V/T−Eg0/2qT =(2qV−Eg0)/2qT …(13) 動作電圧が0.1[V],エネルギギャップEg0が1.
21[eV],温度Tが300[°K]付近で本実施例
による赤外線センサを動作させると、出力電圧Vには温
度が1℃上昇する毎に約−1.6[mV]の変化が生じ
る。この関係は図4のグラフに示される。同グラフの横
軸は温度[℃],縦軸は出力電圧[V]を示している。
また、直線27は赤外線センサで検出される出力電圧V
の温度特性を表しており、この直線27の傾きはほぼ−
1.6mV/℃になっている。図3のグラフに示される
各特性線の交点はこの直線27上に位置する。また、印
加電圧VF が1[V]の時、ダイオードDR に流れる逆
方向電流Ir の逆飽和電流は1[pA]になり、ダイオ
ードDF に流れる順方向電流If の飽和電流は0.1
[pA]になる。
21[eV],温度Tが300[°K]付近で本実施例
による赤外線センサを動作させると、出力電圧Vには温
度が1℃上昇する毎に約−1.6[mV]の変化が生じ
る。この関係は図4のグラフに示される。同グラフの横
軸は温度[℃],縦軸は出力電圧[V]を示している。
また、直線27は赤外線センサで検出される出力電圧V
の温度特性を表しており、この直線27の傾きはほぼ−
1.6mV/℃になっている。図3のグラフに示される
各特性線の交点はこの直線27上に位置する。また、印
加電圧VF が1[V]の時、ダイオードDR に流れる逆
方向電流Ir の逆飽和電流は1[pA]になり、ダイオ
ードDF に流れる順方向電流If の飽和電流は0.1
[pA]になる。
【0033】このように本実施例によれば、赤外線セン
サとして機能するダイオードDF への電流供給は逆バイ
アスしたダイオードDR によって行われるため、図3に
示されるように絶対値の小さい定電流が安定して供給さ
れる。従って、従来、赤外線検出部へ大きな定電流を供
給せざるを得なかったが、本実施例によれば、小さな定
電流を供給することによって赤外線を検出することが可
能になる。このため、赤外線検出部の消費電力が低下す
るため、従来のように、自己発熱によって感度が劣化し
たり、雑音が増加するといった問題はなくなる。また、
ダイオードDR ,DF からなる直列回路を複数個並列に
接続し、赤外線センサをアレイ状に構成した場合には、
各センサ用ダイオードDF には均一な定電流が供給され
る。これはアレイを構成する各電流源用ダイオードDR
から出力される逆方向電流Irは再現性および均一性が
良好で、各ダイオードDR の電気的特性が一様に揃うか
らである。
サとして機能するダイオードDF への電流供給は逆バイ
アスしたダイオードDR によって行われるため、図3に
示されるように絶対値の小さい定電流が安定して供給さ
れる。従って、従来、赤外線検出部へ大きな定電流を供
給せざるを得なかったが、本実施例によれば、小さな定
電流を供給することによって赤外線を検出することが可
能になる。このため、赤外線検出部の消費電力が低下す
るため、従来のように、自己発熱によって感度が劣化し
たり、雑音が増加するといった問題はなくなる。また、
ダイオードDR ,DF からなる直列回路を複数個並列に
接続し、赤外線センサをアレイ状に構成した場合には、
各センサ用ダイオードDF には均一な定電流が供給され
る。これはアレイを構成する各電流源用ダイオードDR
から出力される逆方向電流Irは再現性および均一性が
良好で、各ダイオードDR の電気的特性が一様に揃うか
らである。
【0034】また、本実施例による赤外線センサは、赤
外線吸収膜19を形成する工程と、半導体基板11に薄
層部を作るための基板裏面からのエッチング工程とを通
常のLSIプロセスに付加するだけで製造することが可
能である。従って、低コストでかつ小型な赤外線センサ
を実現することが出来る。
外線吸収膜19を形成する工程と、半導体基板11に薄
層部を作るための基板裏面からのエッチング工程とを通
常のLSIプロセスに付加するだけで製造することが可
能である。従って、低コストでかつ小型な赤外線センサ
を実現することが出来る。
【0035】また、センサ用ダイオードDF への定電流
供給は、図5(a)に示されるように、トランジスタ等
によって構成される定電流源回路Jを用いて行うことも
可能である。このような構成の赤外線センサにおいて
は、定電流源回路JからダイオードDF へ定電流が供給
され、ダイオードDF の端子間電圧が赤外線照射による
温度変化に応じて図5(b)に示される変化をすること
により、赤外線の照射が検知される。つまり、同図に示
されるグラフは温度をパラメータとするダイオードDF
の端子間電圧V(横軸)と通電電流I(縦軸)との関係
を表し、T3 ,T 2 ,T1 (T3 <T2 <T1 )と温度
が上昇するに従って特性線の傾斜は急角度になる。例え
ば、ダイオードDF がシリコンダイオードの場合には、
約2mV/℃の温度依存性を有している。
供給は、図5(a)に示されるように、トランジスタ等
によって構成される定電流源回路Jを用いて行うことも
可能である。このような構成の赤外線センサにおいて
は、定電流源回路JからダイオードDF へ定電流が供給
され、ダイオードDF の端子間電圧が赤外線照射による
温度変化に応じて図5(b)に示される変化をすること
により、赤外線の照射が検知される。つまり、同図に示
されるグラフは温度をパラメータとするダイオードDF
の端子間電圧V(横軸)と通電電流I(縦軸)との関係
を表し、T3 ,T 2 ,T1 (T3 <T2 <T1 )と温度
が上昇するに従って特性線の傾斜は急角度になる。例え
ば、ダイオードDF がシリコンダイオードの場合には、
約2mV/℃の温度依存性を有している。
【0036】しかしながら、このような赤外線センサに
おいては、前述した次の問題があった。第1に、定電流
源回路Jを用いた場合には、電流値の小さな定電流を安
定して供給することは困難であることから、比較的大き
な電流値の定電流を供給せざるを得ない。従って、ダイ
オードDF において大きな電力が消費され、この電力消
費による自己発熱はダイオードDF の温度依存特性に影
響を与え、赤外線照射に対する感度の低下および最小検
出能の悪化が生じた。第2に、ダイオードDF の順方向
立上がり電圧がシリコンにおいては0.6〜0.8
[V]であり、赤外線検出出力電圧はこの電圧に数10
〜数100[μV]の電圧信号が重乗した形になる。こ
のため、検出出力電圧を大倍率で増幅することは困難で
あった。第3に、定電流源回路JおよびダイオードDF
を複数個並べたアレイ状の赤外線センサにおいては、各
定電流源回路Jの出力電流値を一様に揃えることは困難
であり、また、ダイオードDF の立上がり電圧も数mV
〜数10mVのバラツキが生じやすい。従って、このよ
うな赤外線アレイを用いて画像を撮像する場合には、大
きな固定パターンノイズが生じやすくなる。
おいては、前述した次の問題があった。第1に、定電流
源回路Jを用いた場合には、電流値の小さな定電流を安
定して供給することは困難であることから、比較的大き
な電流値の定電流を供給せざるを得ない。従って、ダイ
オードDF において大きな電力が消費され、この電力消
費による自己発熱はダイオードDF の温度依存特性に影
響を与え、赤外線照射に対する感度の低下および最小検
出能の悪化が生じた。第2に、ダイオードDF の順方向
立上がり電圧がシリコンにおいては0.6〜0.8
[V]であり、赤外線検出出力電圧はこの電圧に数10
〜数100[μV]の電圧信号が重乗した形になる。こ
のため、検出出力電圧を大倍率で増幅することは困難で
あった。第3に、定電流源回路JおよびダイオードDF
を複数個並べたアレイ状の赤外線センサにおいては、各
定電流源回路Jの出力電流値を一様に揃えることは困難
であり、また、ダイオードDF の立上がり電圧も数mV
〜数10mVのバラツキが生じやすい。従って、このよ
うな赤外線アレイを用いて画像を撮像する場合には、大
きな固定パターンノイズが生じやすくなる。
【0037】しかし、本実施例による赤外線センサによ
れば、上述したように、定電流源回路Jは逆バイアスし
たダイオードDR によって構成されているため、絶対値
の小さな定電流が安定して供給され、感度の低下や最小
検出能の悪化という第1の問題は生じない。また、小さ
な電流がダイオードDF に供給されるため、センサ用ダ
イオードDF における電圧降下は低くなり、従って、赤
外線検出出力電圧を大きな倍率で信号増幅することが容
易になり、第2の問題は解消される。また、逆バイアス
したダイオードDR によって定電流が供給されるため、
上述したように、センサへの定電流供給は再現性および
均一性良く行われ、赤外線アレイに固定パターンノイズ
が生じるという第3の問題は生じない。
れば、上述したように、定電流源回路Jは逆バイアスし
たダイオードDR によって構成されているため、絶対値
の小さな定電流が安定して供給され、感度の低下や最小
検出能の悪化という第1の問題は生じない。また、小さ
な電流がダイオードDF に供給されるため、センサ用ダ
イオードDF における電圧降下は低くなり、従って、赤
外線検出出力電圧を大きな倍率で信号増幅することが容
易になり、第2の問題は解消される。また、逆バイアス
したダイオードDR によって定電流が供給されるため、
上述したように、センサへの定電流供給は再現性および
均一性良く行われ、赤外線アレイに固定パターンノイズ
が生じるという第3の問題は生じない。
【0038】図6は本発明の他の一実施例による赤外線
センサの構造を示す断面図であり、この赤外線センサの
等価回路は図1(b)と同様に示される。この赤外線セ
ンサは次のように製造される。まず、シリコン半導体基
板31にpウエル32が形成される。次に、n+ 領域3
3a〜cが選択的に形成され、引き続いてp+ 領域34
a,bが選択的に形成される。次に、半導体基板31の
表面に絶縁膜35が形成され、さらに配線層36a〜e
が形成される。この配線層36a〜eの形成により、図
1(b)に示される回路が構成される。つまり、n+ 領
域33aとpウエル32とによるpn接合によってセン
サ用ダイオードDF が構成され、n+ 領域33bおよび
33cと半導体基板31とによる各pn接合によって定
電流源用ダイオードDR が構成される。配線層36d,
eに正電圧、配線層36aに負電圧が印加されることに
より、センサ用ダイオードDF は順バイアスされ、電流
源用ダイオードDR は逆バイアスされる。また、赤外線
センサの出力は配線層36b,cから取られる。
センサの構造を示す断面図であり、この赤外線センサの
等価回路は図1(b)と同様に示される。この赤外線セ
ンサは次のように製造される。まず、シリコン半導体基
板31にpウエル32が形成される。次に、n+ 領域3
3a〜cが選択的に形成され、引き続いてp+ 領域34
a,bが選択的に形成される。次に、半導体基板31の
表面に絶縁膜35が形成され、さらに配線層36a〜e
が形成される。この配線層36a〜eの形成により、図
1(b)に示される回路が構成される。つまり、n+ 領
域33aとpウエル32とによるpn接合によってセン
サ用ダイオードDF が構成され、n+ 領域33bおよび
33cと半導体基板31とによる各pn接合によって定
電流源用ダイオードDR が構成される。配線層36d,
eに正電圧、配線層36aに負電圧が印加されることに
より、センサ用ダイオードDF は順バイアスされ、電流
源用ダイオードDR は逆バイアスされる。また、赤外線
センサの出力は配線層36b,cから取られる。
【0039】本実施例においても、電流源用ダイオード
DR からセンサ用ダイオードDF へ再現性,均一性良く
小さな定電流が供給されるため、本実施例においても上
記実施例と同様な効果が得られる。
DR からセンサ用ダイオードDF へ再現性,均一性良く
小さな定電流が供給されるため、本実施例においても上
記実施例と同様な効果が得られる。
【0040】図7は、上記各実施例による赤外線センサ
およびその周辺回路が同一半導体基板上に形成された集
積化センサのパターン図である。センサ42は、シリコ
ン半導体基板41の主表面所定位置に上記いずれかの実
施例によって形成された赤外線センサであり、このセン
サ42を囲う所定領域には集積回路43が形成されてい
る。この集積回路43内には、センサ42からの赤外線
検出出力を増幅する増幅回路、および増幅された検出信
号に対して所定の処理を行う信号処理回路が形成されて
いる。さらに、集積回路43の周辺には複数の電極44
が形成されており、これら電極44はセンサ42と集積
回路43とを接続するリードおよび外部回路との接続を
採る機能を果たす。
およびその周辺回路が同一半導体基板上に形成された集
積化センサのパターン図である。センサ42は、シリコ
ン半導体基板41の主表面所定位置に上記いずれかの実
施例によって形成された赤外線センサであり、このセン
サ42を囲う所定領域には集積回路43が形成されてい
る。この集積回路43内には、センサ42からの赤外線
検出出力を増幅する増幅回路、および増幅された検出信
号に対して所定の処理を行う信号処理回路が形成されて
いる。さらに、集積回路43の周辺には複数の電極44
が形成されており、これら電極44はセンサ42と集積
回路43とを接続するリードおよび外部回路との接続を
採る機能を果たす。
【0041】このような集積化センサにおいては、下部
基板がエッチングされていないダイオードを集積回路4
3の中に形成し、このダイオードの温度特性を検出する
ことにより、基板41の温度変化によるセンサ42の検
出出力特性変化や増幅回路の増幅出力特性変化を補正す
ることが出来る。また、センサ42内の赤外線検出素子
を1次元または2次元に配列し、集積回路43の中に各
検出素子を走査する走査回路を構成することにより、集
積化センサを赤外線撮像装置に応用することが可能にな
る。また、図6に示される実施例によれば、赤外線セン
サの製造プロセスが通常のCMOSプロセスと完全な互
換性を得ることが出来るため、赤外線センサとその周辺
回路とを上記のようにオンチップ化することは極めて容
易になる。
基板がエッチングされていないダイオードを集積回路4
3の中に形成し、このダイオードの温度特性を検出する
ことにより、基板41の温度変化によるセンサ42の検
出出力特性変化や増幅回路の増幅出力特性変化を補正す
ることが出来る。また、センサ42内の赤外線検出素子
を1次元または2次元に配列し、集積回路43の中に各
検出素子を走査する走査回路を構成することにより、集
積化センサを赤外線撮像装置に応用することが可能にな
る。また、図6に示される実施例によれば、赤外線セン
サの製造プロセスが通常のCMOSプロセスと完全な互
換性を得ることが出来るため、赤外線センサとその周辺
回路とを上記のようにオンチップ化することは極めて容
易になる。
【0042】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、逆
バイアスされた第2のダイオードから第1のダイオード
へは絶対値の小さな定電流が安定して供給される。この
ため、赤外線検出部における自己発熱は抑制され、赤外
線検出感度の劣化や最小検出能の劣化は有効に防止され
る。
バイアスされた第2のダイオードから第1のダイオード
へは絶対値の小さな定電流が安定して供給される。この
ため、赤外線検出部における自己発熱は抑制され、赤外
線検出感度の劣化や最小検出能の劣化は有効に防止され
る。
【0043】また、第1のダイオードおよび第2のダイ
オードからなる直列回路が複数個並列に接続された場合
には、第2のダイオードから第1のダイオードへ供給さ
れる各定電流の大きさはほぼ均一になる。従って、この
センサを撮像装置に応用した場合には固定パターンノイ
ズの発生が抑止され、雑音の少ない良好な画像が得られ
るようになる。
オードからなる直列回路が複数個並列に接続された場合
には、第2のダイオードから第1のダイオードへ供給さ
れる各定電流の大きさはほぼ均一になる。従って、この
センサを撮像装置に応用した場合には固定パターンノイ
ズの発生が抑止され、雑音の少ない良好な画像が得られ
るようになる。
【図1】本発明の一実施例による赤外線センサの断面構
造および等価回路を示す図である。
造および等価回路を示す図である。
【図2】本実施例の赤外線センサを構成するセンサ用ダ
イオードDF の電圧−電流特性を示すグラフである。
イオードDF の電圧−電流特性を示すグラフである。
【図3】本実施例の赤外線センサを構成するセンサ用ダ
イオードDF および定電流源用ダイオードDR の各電圧
−電流特性を示すグラフである。
イオードDF および定電流源用ダイオードDR の各電圧
−電流特性を示すグラフである。
【図4】本実施例による赤外線センサの出力電圧の温度
依存性を示すグラフである。
依存性を示すグラフである。
【図5】本実施例が適用されない赤外線センサの等価回
路およびその出力の温度依存性を示すグラフである。
路およびその出力の温度依存性を示すグラフである。
【図6】本発明の他の一実施例による赤外線センサの構
造を示す断面図である。
造を示す断面図である。
【図7】各実施例による赤外線センサおよびその周辺回
路が同一半導体基板上に形成された集積化センサのパタ
ーン図である。
路が同一半導体基板上に形成された集積化センサのパタ
ーン図である。
【図8】従来の熱型赤外線センサの構造を示す断面図で
ある。
ある。
11…半導体基板、12…pウエル、13…nアイラン
ド、14a〜e…p+ 領域、15a〜d…n+ 領域、1
6…絶縁膜、17a〜g…配線層、18…パッシベーシ
ョン膜、19…赤外線吸収膜、20…電源、DR …定電
流源用ダイオード、DF …センサ用ダイオード。
ド、14a〜e…p+ 領域、15a〜d…n+ 領域、1
6…絶縁膜、17a〜g…配線層、18…パッシベーシ
ョン膜、19…赤外線吸収膜、20…電源、DR …定電
流源用ダイオード、DF …センサ用ダイオード。
Claims (5)
- 【請求項1】 赤外線照射に基づく温度変化に応じて通
電電流が変化する順バイアスされた第1のダイオード
と、この第1のダイオードに定電流を供給するこの第1
のダイオードに直列に接続され逆バイアスされた第2の
ダイオードとを備えて構成されたことを特徴とする赤外
線センサ。 - 【請求項2】 裏面の一部が除去されて部分的に薄層化
した半導体基板と、この半導体基板の薄層化した部分の
表面に形成された第1のダイオードおよび第2のダイオ
ードと、これら第1および第2のダイオードを覆って形
成された赤外線吸収膜とを備えて形成されたことを特徴
とする請求項1記載の赤外線センサ。 - 【請求項3】 赤外線吸収膜は、赤外線吸収材料から成
る上層部と、熱伝導率が良くかつ赤外線を反射する材料
から成る下層部との多層膜によって形成されていること
を特徴とする請求項2記載の赤外線センサ。 - 【請求項4】 第1のダイオードの通電電流変化に基づ
いて所定の信号処理を行う処理回路と、第1および第2
の各ダイオード並びにこの処理回路への入出力信号を授
受する複数の電極とが同一半導体基板上に形成されてい
ることを特徴とする請求項2記載の赤外線センサ。 - 【請求項5】 第1のダイオードおよび第2のダイオー
ドからなる直列回路が複数個並列に接続されていること
を特徴とする請求項1または請求項2または請求項3ま
たは請求項4記載の赤外線センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30775691A JPH05142039A (ja) | 1991-11-22 | 1991-11-22 | 赤外線センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30775691A JPH05142039A (ja) | 1991-11-22 | 1991-11-22 | 赤外線センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05142039A true JPH05142039A (ja) | 1993-06-08 |
Family
ID=17972898
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30775691A Pending JPH05142039A (ja) | 1991-11-22 | 1991-11-22 | 赤外線センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05142039A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0715359A1 (en) * | 1994-11-30 | 1996-06-05 | Terumo Kabushiki Kaisha | Infrared radiation sensor |
| JP2000019015A (ja) * | 1998-06-30 | 2000-01-21 | Toshiba Corp | 赤外線検出装置 |
| EP1248088A4 (en) * | 2000-01-12 | 2008-03-26 | Japan Science & Tech Agency | METHOD AND DEVICE FOR TEMPERATURE MEASUREMENT AND HEAT PICTURE SENSOR |
| WO2020182282A1 (en) * | 2019-03-08 | 2020-09-17 | Nokia Technologies Oy | Temperature detection |
-
1991
- 1991-11-22 JP JP30775691A patent/JPH05142039A/ja active Pending
Cited By (7)
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