CN101930985A - 光电转换设备及其方法、放射线成像设备及其方法 - Google Patents

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Abstract

在此公开了一种具有以矩阵排列的单位像素的光电转换设备，每个单位像素包括：光电转换元件；源极跟随器读出晶体管，配置为通过栅极接收源自通过所述光电转换元件的光电转换的信号电荷，并且读出依赖于所述信号电荷的电信号；以及校正电路，配置为如果给到所述读出晶体管的栅极的参考电势定义为Vref，并且所述读出晶体管的阈值电压定义为Vth，则在通过所述读出晶体管的信号读出之前将所述读出晶体管的栅极电势重置为Vref+Vth。

Description

光电转换设备及其方法、放射线成像设备及其方法
技术领域
本发明涉及光电转换设备、用于驱动光电转换设备的方法、放射线成像设备和用于驱动放射线成像设备的方法。放射线成像设备是放射线读取设备，其通过波长转换器执行由α射线、β射线、γ射线和X射线为代表的放射线到光电转换设备的灵敏度范围的波长转换，并且读取基于放射线的信息。
背景技术
在光电转换设备和放射线成像设备中，基于源自通过光电转换器的光电转换的输入信息的电荷被传送到外部电容，并且通过该外部电容转换为信号电压。通过将来自光电转换器自身的电容的电荷传送到外部电容，并且以此方式将其转换为信号电压，可以获得相当高的S/N比。
在采用其中在各行中排列多个像素的配置的情况下，因为从各像素读出信号到其的信号线的线长度依赖于像素的数目而增加，所以经常形成寄生电容。例如，假设排列每一个具有200μm×200μm的尺寸的2000×2000(垂直×水平)像素以构造具有等价于X射线膜的尺寸(例如，40cm×40cm的尺寸)的尺寸的面积传感器。
在具有等价于X射线膜的尺寸的尺寸的面积传感器的情况下，通过在用于电荷传送的晶体管的栅极电极和其源极区域之间重叠形成电容。该重叠依赖于像素的数目。因此，即使当通过重叠的电容Cgs是每一个位置大约0.05pF，在一条信号线中也形成0.05pF×2000＝100pF的电容。
光电转换器本身的电容Cs(传感器电容)是大约1pF。因此，如果在像素中生成的信号电压定义为V1，则信号线的输出电压V0由以下等式表示：
V0＝{Cs/(Cs+Cgs×1000)}×V因此，输出电压变为大约1/100。也就是说，如果形成具有大面积的面积传感器，则输出电压很大程度地降低。
此外，为了在这种情况下读取运动图像，进一步要求这种灵敏度和高速操作性能，以便允许每一秒30或更多画面的读取。还要求X射线放射的剂量在例如包括X射线诊断(特别在医学场景中)的非破坏性测试中尽可能地低。因此，希望信号电荷的量增加100到400倍，即灵敏度进一步提高。
另一方面，作为现有技术，已经采用在每个像素中包括源极跟随器电路的配置，该源极跟随器电路具有用于通过其栅极接收在光电转换器中生成的信号电荷的场效应晶体管，并且通过该场效应晶体管读出依赖于该信号电荷的信号电压到信号线(参照例如日本专利公开No.Hei 11-307756(下文中的专利文献1，具体参照第0038和0039段等))。该源极跟随器电路使得即使信号线中形成的电容高，也能够高速信号读出。
然而，源极跟随器电路具有这样的问题，在其偏置电势中的变化表现为固定模式噪声。具体地，在其半导体层由非晶硅或多晶硅构成的源极跟随器电路中，偏置电势中的变化非常大，约为1V。
图13示出包括源极跟随器电路的现有技术的像素电路。现有技术示例的单位像素100包括光电转换元件101、重置晶体管102、读出晶体管103、以及行选择晶体管104。
光电转换元件101具有连接到累积节点N的阳极，并且生成依赖于入射光的信号电荷。电容性组件105存在于累积节点N，并且在光电转换元件101中生成的信号电荷在累积节点N中累积。重置晶体管102连接在累积节点N和参考电势Vref之间，并且响应于重置信号Vrst重置累积节点N。
读出晶体管103的栅极连接到累积节点N，并且其漏极连接到电源VDD。读出晶体管103通过其栅极接收光电转换元件101中生成的信号电荷，并且输出依赖于信号电荷的信号电压。行选择晶体管104连接在读出晶体管103的源极和信号线110之间，并且响应于行扫描信号Vread，将从读出晶体管103输出的信号输出到信号线110。
恒流源120连接到信号线110的一端。在该配置中，通过读出晶体管103和经由行选择晶体管104和信号线110连接到读出晶体管103的源极的恒流源120形成源极跟随器电路。通过读出晶体管103读出到信号线110的信号经由放大器130输出。
在具有上述配置的像素电路中，包括在源极跟随器电路中的读出晶体管103的源极电势比栅极输入电势低等价于读出晶体管103的阈值电压Vth的电势。由于该降低，等价于源极跟随器电路所拥有的阈值电压的偏移值的变化(即读出晶体管103的阈值电压Vth的变化)表现为固定模式噪声。
为了解决该问题，在专利文献1中描述的现有技术中，在没有X射线放射的情况下获得的每个像素的输出数据存储在存储器中作为偏移值，并且从使用X射线放射获得的输出数据减去该偏移值。从而，校正源极跟随器电路的偏移值的变化。
发明内容
然而，在专利文献1中描述的现有技术具有这样的问题，需要大容量存储器，并且包括该存储器的信号处理IC的成本增加，因为整个像素面积中的每个像素的偏移值需要存储在存储器中用于使用。
此外，这些偏移值每次不取相同的值，因为它们受放射线成像设备的使用温度、归因于之前放射线放射的信号值、伴随长时段使用的老化劣化等的影响。因此，每次执行成像必须读出和使用偏移值，这导致信号处理的处理速度的降低。因此，当执行高速成像(摄影)等时，该技术是障碍。
对于本发明的期望是提供一种光电转换设备、用于驱动该光电转换设备的方法、放射线成像设备、以及用于驱动该放射线成像设备的方法，其能够校正等价于源极跟随器电路所拥有的阈值电压的偏移值中的变化，而不用将整个像素面积中的每个像素的偏移值存储在存储器中。
根据本发明的实施例，提供一种具有以矩阵排列的单位像素的光电转换设备，每个单位像素包括：光电转换元件；源极跟随器读出晶体管，配置为通过栅极接收源自通过所述光电转换元件的光电转换的信号电荷，并且读出依赖于所述信号电荷的电信号；以及校正电路，配置为如果给到所述读出晶体管的栅极的参考电势定义为Vref，并且所述读出晶体管的阈值电压定义为Vth，则在通过所述读出晶体管的信号读出之前将所述读出晶体管的栅极电势重置为Vref+Vth。
此外，通过使用对入射放射线敏感并且生成信号电荷的放射线检测器代替光电转换元件，可以形成放射线成像设备。
在具有上述配置的光电转换元件或放射线成像设备中，在信号读出之前，通过在每个单位像素中提供的校正电路的重置操作将读出晶体管的栅极电势重置为Vref+Vth。从而，在通过校正电路的重置操作之后，在等价于读出晶体管的阈值电压Vth的偏移值叠加在信号电荷上的状态下，在累积节点中累积信号电荷。因此，在信号读出时，栅极输入电势中包括的等价于阈值电压Vth的偏移值通过读出晶体管的阈值电压Vth抵消。结果，在信号读出时，等价于读出晶体管的阈值电压Vth的偏移值没有包括在输出电势中，因此可以抑制归因于偏移值的变化的固定模式噪声的出现。
根据本发明，在每个单位像素中提供校正电路，用于校正等价于源极跟随器电路所拥有的阈值电压Vth的偏移值的变化，从而可以校正偏移值的变化而不用将整个像素面积中的每个像素的偏移值存储在存储器中。
附图说明
图1是示意性地示出应用本发明实施例的光电转换设备的系统配置的系统配置图；
图2是示出通过光电转换设备和波长转换器的组合获得的放射线成像设备的示意性配置图；
图3是示出根据实施例示例1的单位像素的电路配置的电路图；
图4是用于说明根据实施例示例1的单位像素的电路操作的时序图；
图5是示出根据实施例示例2的单位像素的电路配置的电路图；
图6是用于说明根据实施例示例2的单位像素的电路操作的时序图；
图7是示出间接转换型放射线检测器的结构的一个示例的截面图；
图8是示出直接转换型放射线检测器的结构的一个示例的截面图；
图9是示出当采用顶部栅极结构作为晶体管部分的结构时、直接转换型放射线检测器的结构的截面图；
图10是示出根据修改示例1的像素阵列单元的配置的配置图；
图11是示出根据修改示例2的像素阵列单元的配置的配置图；
图12是示出根据修改示例3的像素阵列单元的配置的配置图；以及
图13是示出包括源极跟随器电路的现有技术的像素电路的电路图。
具体实施方式
下面将使用附图详细描述用于执行本发明的模式(下文中，称为“实施例”)。将以以下顺序进行描述。
1.应用本发明实施例的光电转换设备
2.本发明实施例的特征
2-1.实施例示例1(具有一级重置操作的示例)
2-2.实施例示例2(具有二级重置操作的示例)
2-3.放射线检测器
2-4.放射线成像设备
3.修改示例
<1.应用本发明实施例的光电转换设备>
(系统配置)
图1是示意性地示出应用本发明实施例的光电转换设备的系统配置的系统配置图。
根据本申请示例的光电转换设备10包括在如玻璃基底的绝缘基底11(下文中，将通常简称为“基底”)上形成的像素阵列单元12、以及集成在与像素阵列单元12的基底相同的基底11上的外围电路单元。在该示例中，提供例如行扫描器(垂直驱动器)13、水平选择器14、列扫描器(水平驱动器)15和系统控制器16作为外围电路单元。
在像素阵列单元12中，单位像素(下文中，单位像素将通常简称为“像素”)以矩阵二维排列。每个单位像素具有光电转换器(光电转换元件)，其生成具有依赖于入射光量的电荷量的光电荷，并且累积内部的光电荷。随后将描述单位像素的具体配置。
此外，在像素阵列单元12中，对应于矩阵像素排列，沿着行方向(在像素行上像素的对准方向)为每个像素行提供像素驱动线17，沿着列方向(在像素列上像素的对准方向)为每个像素列提供垂直信号线18。像素驱动线17传输驱动信号，用于驱动以从像素读出信号。在图1中，像素驱动线17示出为每一像素行一条线。然而，每一像素行的作为像素驱动线17的线的数目不限于一条。每条像素驱动线17的一端连接到对应于各个行之一的行扫描器13的输出端子。
行扫描器13是由移位寄存器、地址解码器等组成的像素驱动器，并且例如逐行驱动像素阵列单元12中的各个像素。从由行扫描器13选择性地扫描的像素行上的各个单位像素输出的信号经由各个垂直信号线18提供到水平选择器14。水平选择器14由为每条垂直信号线18提供的放大器、水平选择开关等组成。
列扫描器15由移位寄存器、地址解码器等组成，并且扫描水平选择器14中的各个水平选择开关，以便依次驱动它们。通过由该列扫描器15的选择性扫描，经由各条垂直信号线18传输的各个像素的信号依次输出到水平信号线19，并且经由该水平信号线19传输到基底11的外部。
由水平选择器14、列扫描器15和水平信号线19组成的电路部分通过使用在如玻璃基底的绝缘基底11上形成的电路、或外部控制IC、或它们两者来形成。
系统控制器16接收从基底11的外部给出的时钟、用于指令操作模式的数据等，并且输出该光电转换设备10的内部信息的数据等。此外，系统控制器16具有用于生成各种时序信号的时序发生器，并且基于由时序发生器生成的各种时序信号控制如行扫描器13、水平选择器14和列扫描器15的外围电路部分的驱动。
(放射线成像设备)
通过组合具有上述配置的光电转换设备10和波长转换器，所述波长转换器执行由α射线、β射线、γ射线和X射线为代表的放射线到光电转换设备10的灵敏度范围的波长转换，可以形成读取基于放射线的信息的放射线成像设备(放射线读取设备)。具体地，如图2所示，通过在光电转换设备10的像素阵列单元12的光接收侧提供如荧光体(phosphor)(例如，闪烁器(scintillator))的波长转换器20，可以形成放射线成像设备30。
<2.本发明实施例的特征>
根据本发明实施例的具有上述配置的光电转换设备10和放射线成像设备30具有这样的特征，在每个单位像素中提供能够校正等价于源极跟随器电路所拥有的阈值电压的偏移值的变化的校正电路。
通过以此方式在每个单位像素中提供校正电路，可以校正每个像素中的偏移值的变化，而不用将整个像素面积(像素阵列单元12的整体)中的每个像素的偏移值存储在存储器中，这不同于现有技术。因此，等价于源极跟随器电路所拥有的阈值电压的偏移值的变化的更精确校正是可能。
由于放射线成像设备30的使用温度、归因于之前放射线放射的剩余信号值、伴随长时段使用的老化劣化等的影响，等价于源极跟随器电路所拥有的阈值电压的偏移值在每次执行成像时改变。然而，该偏移值可以被完全排除。此外，因为不需要对于每个成像的校正值的读出，所以允许如心脏的动态摄影等的高速摄影。结果，可以减小人体对于放射线的暴露。
下面将进行关于单位像素的具体实施例示例的描述，所述单位像素具有能够校正等价于源极跟随器电路所拥有的阈值电压的偏移值的变化的校正电路。
[2-1.实施例示例1]
(像素电路)
图3是示出根据实施例示例1的单位像素的电路配置的电路图。如图3所示，根据实施例示例1的单位像素40A包括光电转换元件41、读出晶体管42、行选择晶体管43和校正电路44A。对于该单位像素40A，为每个像素行提供例如三条线(具体地，行选择线171和第一和第二重置控制线172和173)作为像素驱动线17。
光电转换元件41是例如正-本征-负(PIN)光电二极管。它具有连接到累积节点N11的阳极，并且生成具有依赖于入射光量的电荷量的信号电荷。由该光电转换元件41生成的信号电荷在累积节点N11中累积。
读出晶体管42的栅极连接到累积节点N11，并且其漏极连接到电源VDD。读出晶体管42是源极跟随器晶体管，其通过其栅极接收在光电转换元件41中生成的信号电荷，并且输出依赖于信号电荷的电信号(即，信号电压)。该读出晶体管42的半导体层由例如微晶硅或多晶硅组成。
因为微晶硅或多晶硅(多硅)的迁移率μ高于非晶硅的迁移率，所以通过读出晶体管42的高速信号读取是可能的。已知当读出晶体管42的半导体层由例如低温多硅组成时，该读出晶体管42的阈值电压Vth的变化是大约±0.5到1V。
行选择晶体管43连接在读出晶体管42的源极和垂直信号线18之间。其响应于经由行选择线171从行扫描器13给出的行扫描信号Vread，将从读出晶体管42输出的信号输出到垂直信号线18。
也就是说，行选择晶体管43将单位像素40A转为选择的(激活的)状态。当连接在读出晶体管42的漏极和电源VDD之间而不是在读出晶体管42的源极和垂直信号线18之间时，该行选择晶体管43也可以选择单位像素40A。
恒流源50连接到垂直信号线18的一端。在该配置中，通过读出晶体管42和经由行选择晶体管43和垂直信号线18连接到读出晶体管42的源极的恒流源50形成源极跟随器电路。由读出晶体管42读出到垂直信号线18的信号提供到水平选择器14中的放大器141。
校正电路44A由用作开关元件的三个重置晶体管441、442和443以及一个电容器444组成。该校正电路44A用于在信号读出之前，将累积节点N11的电势重置为通过将读出晶体管42的阈值电压Vth加到参考电势Vref所得到的电势Vref+Vth。
重置晶体管441连接在累积节点N11和参考电势端子445之间，并且响应于经由第一重置控制线172从行扫描器13给出的重置信号Vrst1执行导通/截止操作。参考电势Vref给到参考电势端子445。
重置晶体管442的一个电极连接到读出晶体管42的源极，并且重置晶体管442响应于经由第一重置控制线172从行扫描器13给出的重置信号Vrst1执行导通/截止操作。也就是说，重置晶体管442与重置晶体管441同步执行导通/截止操作。
重置晶体管443的一个电极连接到重置晶体管442的另一电极，并且重置晶体管443的另一电极连接到参考电势端子445。重置晶体管443响应于经由第二重置控制线173从行扫描器13给出的重置信号Vrst2执行导通/截止操作。电容器444连接在累积节点N11和重置晶体管442和443的公共连接节点N12之间。
在该示例中，例如N沟道场效应晶体管用作读出晶体管42、行选择晶体管43和重置晶体管441到443。然而，读出晶体管42、行选择晶体管43和重置晶体管441到443的传导性类型的这种组合仅仅是一个示例，并且这些晶体管的传导性类型的组合不限于此。
(电路操作)
下面将使用图4的时序图描述具有上述配置的、根据实施例示例1的单位像素40A的电路操作。在图4的时序图中，示出行扫描信号Vread、重置信号Vrst1和Vrst2、读出晶体管42的栅极输入电势Vin、以及放大器141的输出电势Vout的各个波形。
在时间t11，行扫描信号Vread变为有效(在该示例中，高电平)状态。响应于此，行选择晶体管43转为导通状态，这导致选择包括该行选择晶体管43的像素40A所属的像素行上的各个像素的状态。
同时，在时间t11，重置信号Vrst1变为有效(在该示例中，高电平)状态，从而重置晶体管441和442转为导通状态。由于重置晶体管441切换为导通状态，累积节点N11的电势重置为参考电势Vref，使得读出晶体管42的栅极输入电势Vin变为参考电势Vref。
此时，读出晶体管42的源极电势变为比栅极输入电势Vin低等价于读出晶体管42的阈值电压Vth的电势的电势，即Vref-Vth。此外，因为重置晶体管442处于导通状态，所以公共连接节点N12的电势也变为Vref-Vth。结果，跨越电容器444的电压变为等于阈值电压Vth。
接下来，在时间t12，重置信号Vrst1变为无效状态，同时重置信号Vrst2变为有效(在该示例中，高电平)状态。从而，重置晶体管443转为导通状态，使得公共连接节点N12的电势变为参考电势Vref。结果，累积节点N11的电势从电势Vref偏移等价于跨越电容器444的电压的电势，变为Vref+Vth。
其中执行上述一系列操作的从时间t11到时间t12的时段用作用于重置累积节点N11的电势的重置时段。通过该重置操作，累积节点N11的电势变为Vref+Vth。也就是说，累积节点N11的电势重置为Vref+Vth。此后，行扫描信号Vread在时间t13变为无效状态。
在时间t12的重置操作的结束时，开始累积节点N11中源自通过光电转换元件11的光电转换的信号电荷的累积。从而，读出晶体管42的栅极输入电势Vin依赖于在累积节点N11中累积的电荷量从参考电势Vref+Vth上升。
具体地，在由于通过重置晶体管441到443的重置操作，等价于读出晶体管42的阈值电压Vth的偏移值重叠在信号电荷上的状态下，开始累积节点N11中信号电荷的累积。结果，获得读出晶体管42的栅极输入电势Vin为包括等价于阈值电压Vth的偏移值的电势。
在一定的累积时段过去之后，在时间t14，行扫描信号Vread再次变为有效状态。从而，行选择晶体管43转为导通状态，这导致选择包括该行选择晶体管43的像素40A所属的像素行上的各个像素的状态。从时间t12到时间t14的时段用作累积时段(光电转换时段)。
通过像素选择，开始通过读出晶体管42的累积电压的读出。此时，包括在读出晶体管42的栅极输入电势Vin中的偏移值(即，阈值电压Vth)通过读出晶体管42的阈值电压Vth抵消。因此，输出电势Vout在读出时段(t14到t15)中不受读出晶体管42的阈值电压Vth的变化影响，尽管在重置时段(t11到t12)中受阈值电压Vth的变化影响。
如上所述，通过由每个像素40A中提供的校正电路44A的重置操作，在信号读出之前将累积节点N11的电势(即，栅极输入电势Vin)重置(设置)为Vref+Vth，可以实现以下操作和效果。
具体地，在通过校正电路44A的重置操作之后，在等价于读出晶体管42的阈值电压Vth的偏移值重叠在信号电荷上的状态下，在累积节点N11中累积信号电荷。因此，在信号读出时，栅极输入电势Vin中包括的等价于阈值电压Vth的偏移值通过读出晶体管42的阈值电压Vth抵消。
结果，在信号读出时，等价于读出晶体管42的阈值电压Vth的偏移值没有包括在输出电势Vout中。因此，可以抑制归因于偏移值的变化的固定模式噪声的出现。换句话说，可以通过校正电路44A的重置操作，校正等价于源极跟随器电路所拥有的阈值电压Vth的偏移值的变化。
[2-2.实施例示例2]
(像素电路)
图5是示出根据实施例示例2的单位像素的电路配置的电路图。在图5中，给予等价于(对应于)图3中的部分的部分相同的标号，并且省略重复描述。
在根据实施例示例2的单位像素40B中，除了光电转换元件41、读出晶体管42和行选择晶体管43外，每个像素中提供的校正电路44B的配置不同于根据实施例示例1的校正电路44A的配置。其它部分基本是形同的。对于具有该校正电路44B的单位像素40B，为每个像素行提供例如五条线(具体地，行选择线171和第一到第四重置控制线172和175)作为像素驱动线17。
校正电路44B由五个重置晶体管441、442、443、446和447以及两个电容器444和448组成。重置晶体管441连接在累积节点N11和参考电势端子(节点)445之间，并且响应于经由第一重置控制线172从行扫描器13给出的重置信号Vrst1执行导通/截止操作。参考电势Vref给到参考电势端子445。
重置晶体管442的一个电极连接到读出晶体管442的源极，并且重置晶体管442响应于经由第一重置控制线172从行扫描器13给出的重置信号Vrst1执行导通/截止操作。也就是说，重置晶体管442与重置晶体管441同步执行导通/截止操作。
重置晶体管443的一个电极连接到重置晶体管442的另一电极，并且重置晶体管443的另一电极连接到参考电势端子445。重置晶体管443响应于经由第二重置控制线173从行扫描器13给出的重置信号Vrst2执行导通/截止操作。
重置晶体管446的一个电极连接到读出晶体管42的源极，并且响应于经由第三重置控制线174从行扫描器13给出的重置信号Vrst3执行导通/截止操作。
重置晶体管447的一个电极连接到重置晶体管446的另一电极，并且重置晶体管447的另一电极连接到参考电势端子445。重置晶体管447响应于经由第四重置控制线175从行扫描器13给出的重置信号Vrst4执行导通/截止操作。
电容器444连接在累积节点N11和重置晶体管442和443的公共连接节点N12之间。电容器448连接在累积节点N11和重置晶体管446和447的公共连接节点N13之间。
在该示例中，例如N沟道场效应晶体管用作读出晶体管42、行选择晶体管43和重置晶体管441到443、446和447。然而，读出晶体管42、行选择晶体管43和重置晶体管441到443、446和447的传导性类型的这种组合仅仅是一个示例，并且这些晶体管的传导性类型的组合不限于此。
(电路操作)
下面将使用图6的时序图描述具有上述配置的、根据实施例示例2的单位像素40B的电路操作。在图6的时序图中，示出行扫描信号Vread、重置信号Vrst1、Vrst2、Vrst3和Vrst4、读出晶体管42的栅极输入电势Vin、以及放大器141的输出电势Vout的各个波形。
在时间t21，行扫描信号Vread变为有效(在该示例中，高电平)状态。响应于此，行选择晶体管43转为导通状态，这导致选择包括该行选择晶体管43的像素40B所属的像素行上的各个像素的状态。
同时，在时间t21，重置信号Vrst1和Vrst3变为有效(在该示例中，高电平)状态，从而重置晶体管441、442和446全部转为导通状态。由于重置晶体管441切换为导通状态，累积节点N11的电势重置为参考电势Vref，使得读出晶体管42的栅极输入电势Vin变为参考电势Vref。
此时，读出晶体管42的源极电势变为栅极比输入电势Vin低等价于读出晶体管42的阈值电压Vth的电势的电势，即Vref-Vth。此外，因为重置晶体管442和446都处于导通状态，所以公共连接节点N12和N13的电势也变为Vref-Vth。
结果，跨越电容器444的电压和跨越电容器448的电压变为等于阈值电压Vth。在当读出晶体管42的栅极输入电势Vin是参考电势Vref时的操作条件下，此时阈值电压Vth等于读出晶体管42的阈值电压。
接下来，在时间t22，重置信号Vrst1变为无效状态，并且同时重置信号Vrst2变为有效(在该示例中，高电平)状态。从而，重置晶体管443转为导通状态，使得公共连接节点N12的电势变为参考电势Vref。结果，累积节点N11的电势从电势Vref偏移等价于跨越电容器444的电压的电势，变为Vref+Vth。
此时，读出晶体管42处于当栅极输入电势Vin是Vref+Vth时的操作状态。在此操作条件下，如果读出晶体管42的阈值电压Vth不涉及变化，则读出晶体管42的源极电势是参考电势Vref(＝(Vref+Vth)-Vth)。
另一方面，如果在栅极输入电势Vin是Vref+Vth时并且此时阈值电压定义为Vth’(＝Vth±α)的操作条件下，读出晶体管42的阈值电压Vth涉及变化，则读出晶体管42的源极电势是Vref±α。此时，重置信号Vrst3处于有效状态，因此重置晶体管446仍处于导通状态。因此，跨越电容器448的电压变为Vth±α。
接下来，在时间t23，重置信号Vrst2和Vrst3两者变为无效状态，同时重置信号Vrst4变为有效(在该示例中，高电平)状态。从而，重置晶体管447转为导通状态，使得公共连接节点N13的电势变为参考电势Vref。结果，累积节点N11的电势从电势Vref偏移等价于跨越电容器448的电压Vth±α的电势，变为Vref+Vth±α。
其中执行上述一系列操作的从时间t21到时间t23的时段用作用于重置累积节点N11的电势的重置时段。通过该重置操作，累积节点N11的电势变为Vref+Vth±α。也就是说，累积节点N11的电势重置为Vref+Vth±α。此后，行扫描信号Vread在时间t24变为无效状态。
在时间t23的重置操作的结束时，开始累积节点N11中源自通过光电转换元件41的光电转换的信号电荷的累积。从而，读出晶体管42的栅极输入电势Vin依赖于在累积节点N11中累积的电荷量从参考电势Vref+Vth±α上升。
具体地，在由于通过重置晶体管441到443、446和447的重置操作，等价于读出晶体管42的阈值电压Vth±α的偏移值重叠在信号电荷上的状态下，开始累积节点N11中信号电荷的累积。结果，获得读出晶体管42的栅极输入电势Vin为包括等价于阈值电压Vth±α的偏移值的电势。
在一定的累积时段过去之后，在时间t25，行扫描信号Vread再次变为有效状态。从而，行选择晶体管43转为导通状态，这导致选择包括该行选择晶体管43的像素40B所属的像素行上的各个像素的状态。从时间t23到时间t25的时段用作累积时段(光电转换时段)。
通过像素选择，开始通过读出晶体管42的累积电压的读出。此时，包括在读出晶体管42的栅极输入电势Vin中的偏移值(即，阈值电压Vth±α)通过读出晶体管42的阈值电压Vth±α抵消。因此，输出电势Vout在读出时段(t25到t26)中不受读出晶体管42的阈值电压Vth±α的变化影响，尽管在重置时段(t21到t23)中受阈值电压Vth±α的变化影响。
如上所述，通过由每个像素40B中提供的校正电路44B的重置操作，在信号读出之前将累积节点N11的电势重置为Vref+Vth±α，可以实现以下操作和效果。
具体地，在重置操作之后，在等价于读出晶体管42的阈值电压Vth±α的偏移值重叠在信号电荷上的状态下，在累积节点N11中累积信号电荷。因此，在读出的信号中，栅极输入电势Vin中包括的偏移值通过读出晶体管42的阈值电压Vth±α抵消。
结果，在信号读出时，等价于读出晶体管42的阈值电压Vth±α的偏移值没有包括在输出电势Vout中。因此，可以抑制归因于偏移值的变化的固定模式噪声的出现。换句话说，可以通过校正电路44B的重置操作，校正等价于源极跟随器电路所拥有的阈值电压Vth±α的偏移值的变化。
具体地，通过根据实施例示例2的校正电路44B，在两个阶段中执行等价于源极跟随器电路所拥有的阈值电压的偏移值的变化的校正。因此，与根据实施例示例1的校正电路44A相比，可以执行更精确的校正。
尽管在上述示例中在两个阶段中执行源极跟随器电路的偏移值的变化的校正，但是也可以通过增加电路元件的数目实现能够三级或更多级中的变化校正的校正电路。
实施例示例1和2的描述通过取这样的情况作为示例来进行，其中基于每个像素行通过校正电路44A和44B执行对于偏移值的变化的校正的重置操作。然而，如果对于多个像素行同时执行变化校正，则实现可以缩短重置操作所需的时间的优点。
[2-3.放射线检测器]
在光电转换设备10的前提下进行上面的描述。在放射线成像设备30中，使用对于入射放射线敏感并且生成信号电荷的放射线检测器(放射线敏感单元)代替光电转换元件41。放射线检测器粗略地分类为间接转换型放射线检测器和直接转换型放射线检测器。下面将描述放射线检测器的具体配置示例。
(间接转换型放射线检测器)
图7是示出间接转换型放射线检测器的结构的一个示例的截面图。在该图中，相邻两个像素的元件结构与包括读出晶体管42和电容器444的电路部分一起示出。
参照图7，在如玻璃基底的绝缘基底61上形成由Ti、Al、Mo、W、Cr等组成的电容器电极63和栅极电极62。在这些电极62和63上形成由SiNx、SiO2等组成的栅极绝缘膜64。在栅极绝缘膜64上形成由微晶硅、多晶硅、非晶硅等组成的电容器电极66和半导体层65。
在半导体层65和电容器电极66上形成由SiNx、SiO2等组成的第一层间绝缘膜67。在第一层间绝缘膜67上，通过使用Ti、Al、Mo、W、Cr等形成读出信号线和用于经由接触孔将读出晶体管42连接到电容器444的互连68。在这些互连68上形成由SiNx、SiO2、有机绝缘膜等组成的第二层间绝缘膜69。
在第二层间绝缘膜69上形成间接转换型放射线检测器70A。具体地，在第二层间绝缘膜69上，在接触孔的媒介物的情况下，通过使用Ti、Al、Mo、W、Cr等形成PIN光电二极管80的下部电极81。在下部电极81上，顺序层叠p型半导体层82、i型半导体层83和n型半导体层84，从而形成所谓PIN光电二极管80。
作为该PIN光电二极管80的半导体层，可以使用非晶硅、微晶硅、多晶硅等。此外，如锗或碳的材料可以引入这些种类的硅的任何中，从而改变光谱敏感度。此外，作为PIN光电二极管80，可以采用具有相反配置的配置，即其下部侧是n型半导体并且上部侧是p型半导体的配置。
在n型半导体层84上，通过使用氧化铟锡(ITO)等的透明导电膜形成用于施加规定电压到PIN光电二极管80的上部电极85。此外，通过使用Ti、Al、Mo、W、Cr等在上部电极85上形成用于提供电压到上部电极85的电源线86。
通过使用有机平面化(planarizing)膜、旋涂玻璃(spin-on-glass)材料等在PIN光电二极管80上形成平面化膜71。在平面化膜71上通过使用CsI、NaI、CaF2等形成用于将如X射线的放射线转换为可见光的、称为所谓闪烁器的荧光体72。
荧光体72是波长转换器，其执行如X射线的放射线到PIN光电二极管80的敏感度范围的波长转换。根据需要，可以通过使用非晶硅、Al等在荧光体72上形成保护膜(未示出)。
在施加电压(例如大约3到10V)到PIN光电二极管80的上部电极85，使得PIN光电二极管80由于上部电极85和下部电极81之间的电势差而反向偏置的情况下，使用具有上述配置的间接转换型放射线检测器70A。依赖于情况，其可以在例如通过应用正向偏置电压的重置操作的情况下使用。
(直接转换型放射线检测器)
图8是示出直接转换型放射线检测器的结构的一个示例的截面图。在图8中，给予等价于(对应于)图7中的部分的部分相同的标号，并且省略重复描述。同样在该图中，相邻两个像素的元件结构与包括读出晶体管42和电容器444的电路部分一起示出。
在该直接转换型放射线检测器70B中，从栅极电极62到下部电极81的配置与间接转换型放射线检测器70A中的相同。因此，省略其描述。直接转换型放射线检测器70B具有这样的配置，其中通过使用Se、PbI2、PbTe、HgTe、HgI2、ZnS、ZnTe、GaP、AlSb、CdZnTe、CdTe、CdSe、CdS等在下部电极81上形成将X射线直接转换为电荷的X射线电荷转换膜87。依赖于情况，可以通过在X射线电荷转换膜87上面和下面形成n型层和p型层构造PIN结构，以便避免不必要电荷的注入。
在X射线电荷转换膜87上，通过使用Ti、Al、Mo、W、Cr等形成用于施加适当电压到该X射线电荷转换膜87的上部电极85。通常，形成具有大约100μm到1000μm的膜厚度的X射线电荷转换膜87。因此，大约1kV的高压应该施加到上部电极85。
尽管采用底部栅极结构作为上述间接转换型放射线检测器70A和直接转换型放射线检测器70B中的晶体管部分的结构，但是晶体管部分可以具有顶部栅极结构。
图9示出当采用顶部栅极结构作为晶体管部分的结构时直接转换型放射线检测器70B的结构。在图9中，给予等价于图8中的部分的部分相同的标号，并且省略重复描述。尽管这里示出直接转换型放射线检测器70B为包括顶部栅极结构的放射线检测器，但是同样也应用于间接转换型放射线检测器70A。
在顶部栅极结构的情况下，在如玻璃基底的绝缘基底61上形成由微晶硅、多晶硅、非晶硅等组成的半导体层65，并且在半导体层65上形成由SiNx、SiO2等组成的栅极绝缘膜64。此外，在栅极绝缘膜64上形成由Ti、Al、Mo、W、Cr等组成的栅极电极62。
尽管在上面的示例中省略晶体管部分的详细描述，但是有效的是在沟道部分和源极/漏极之间形成轻掺杂漏极(LDD)，以便减小漏电流。
[2-4.放射线成像设备]
通过使用具有上述配置的放射线检测器70(间接转换型放射线检测器70A/直接转换型放射线检测器70B)代替图3和图5的光电转换元件41，可以形成读取基于放射线的信息的放射线成像设备(图2的放射线成像设备30)。该放射线成像设备30可以执行由α射线、β射线、γ射线和X射线为代表的放射线到光电转换设备10的灵敏度范围的波长转换，并且读取基于放射线的信息。
在该放射线成像设备30中，由于放射线成像设备30的使用温度、归因于之前放射线放射的剩余信号值、伴随长时段使用的老化劣化等的影响，等价于源极跟随器电路所拥有的阈值电压的偏移值在每次执行成像时改变。该偏移值可以通过校正电路44(44A和44B)排除。此外，因为不需要对于每个成像的校正值的读出，所以允许如心脏的动态摄影等的高速摄影。因此，可以减小人体对于放射线的暴露。
<3.修改示例>
上述实施例采用这样的配置，其中在与像素阵列单元12的基底相同的基底11上提供包括用于驱动像素的行扫描器13的外围电路部分。然而，还可能采用这样的配置，其中外围电路部分提供在基底11外部。
然而，在以下要点方面，更有利的是采用其中例如行扫描器13提供在基底11上的配置。例如，当从基底11外部提供的驱动IC执行时序控制时出现的多个驱动IC之间同步的变化不会出现，因此用于控制驱动IC之间的同步的系统和用于该系统的调整操作是不需要的。此外，将多个驱动IC连接到基底11的操作是不需要的，因此大的成本降低是可能的。
此外，在便携式放射线成像设备的情况下，由于例如当放射线成像设备运送时的振动导致的线断裂的可能性降低，因此可以大大提高可靠性。此外，与通过柔性线缆等将多个驱动IC连接到基底11的情况相比，可以实现设备主体的尺寸减小，这导致大大提高并入设备主体的灵活性的优点。
在上述实施例中，像素阵列单元12中的各个单位像素40(40A和40B)通过一个行扫描器13驱动。然而，单位像素的驱动器不限于一个行扫描器13。
例如，如图10所示，还可能采用这样的配置，其中垂直信号线18分为上部和下部垂直信号线18A和18B，并且行扫描器13分为上部和下部行扫描器13A和13B，通过上部和下部行扫描器13A和13B并行驱动各像素。
在以此方式为一个像素列提供两个垂直信号线18的配置中，通过校正电路44对两行的同时重置是可能的。此外，还可以经由垂直信号线18A和18B并行执行从单位像素40的信号读出。因此，信号读出速度可以提高到通过一个行扫描器13驱动情况下的至少两倍。
尽管在图10的修改示例1的配置中为一个像素列提供两条垂直信号线18，但是每一像素列的垂直信号线18的数目不限于2。例如，如图11所示，还可能采用这样的配置，其中在像素阵列单元12的上部侧提供2条垂直信号线18A和18B，并且在下部侧提供2条垂直信号线18C和18D，即提供总共4条线。
在以此方式为一个像素列提供4条垂直信号线18的配置中，重置操作和信号读出操作的速度可以增加到当提供2条线时的两倍。尽管在上面的示例中为一个像素列提供2或4条垂直信号线18，但是还可以采用其中提供3或5或更多条线的配置，并且重置操作和信号读出操作的速度可以进一步提高。
此外，优选的是对多个像素行同时由校正电路44执行重置操作，只要用于信号读出的恒流源50(参见图3和图5)的驱动能力允许。通过同时重置多个像素行，与其中基于每个像素行顺序重置操作的情况相比，缩短了重置操作所需的时间。随着同时重置操作的像素行的数目增加，时间进一步缩短，因此允许以更高速度的读出。
此外，如图12所示，还可能采用这样的配置，其中在其一端连接到恒流源50用于信号读出的垂直信号线18的另一端，提供恒流源51用于阈值校正重置，该恒流源51的驱动能力高于恒流源50的驱动能力，并且在重置操作时使用该恒流源51。通过该配置，与通过使用恒流源50用于信号读出执行重置操作的情况相比，可以更确定地执行用于阈值校正的重置操作。
本申请包含涉及于2009年6月26日向日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2009-151845中公开的主题，在此通过引用并入其全部内容。
本领域的技术人员应该理解，取决于设计要求和其它因素，可以出现各种修改、组合、子组合和替换，只要它们在权利要求或其等价物的范围内。

Claims (11)

1.一种具有以矩阵排列的单位像素的光电转换设备，每个单位像素包括：
光电转换元件；
源极跟随器读出晶体管，配置为通过栅极接收源自通过所述光电转换元件的光电转换的信号电荷，并且读出依赖于所述信号电荷的电信号；以及
校正电路，配置为如果给到所述读出晶体管的栅极的参考电势定义为Vref，并且所述读出晶体管的阈值电压定义为Vth，则在通过所述读出晶体管的信号读出之前，将所述读出晶体管的栅极电势重置为Vref+Vth。
2.如权利要求1所述的光电转换设备，其中
所述校正电路具有电容器，其布置在所述读出晶体管的栅极和源极之间，并且经由开关元件连接到所述源极，以及
所述校正电路在通过所述读出晶体管的信号读出之前，通过由所述开关元件控制所述电容器和所述源极之间的连接/断开，重置所述读出晶体管的栅极电势。
3.如权利要求1所述的光电转换设备，其中
所述读出晶体管包括由微晶硅或多晶硅组成的半导体层。
4.如权利要求1所述的光电转换设备，其中
所述校正电路具有：
第一晶体管，其连接在所述参考电势的节点和所述读出晶体管的栅极之间，并且将所述参考电势给到所述读出晶体管的栅极；
第二晶体管，其具有连接到所述读出晶体管的源极的一个电极，并且与所述第一晶体管同步执行导通/截止操作；
电容器，其具有连接到所述读出晶体管的栅极的一个端子和连接到所述第二晶体管的另一电极的另一端子；以及
第三晶体管，其连接在所述参考电势的节点和所述第二晶体管的另一电极之间，并且在所述第一和第二晶体管截止之后，将所述参考电势给到所述电容器的另一端子。
5.如权利要求4所述的光电转换设备，其中
所述校正电路具有能够多次执行重置所述读出晶体管的栅极电势的操作的电路配置。
6.如权利要求1所述的光电转换设备，其中
在与所述单位像素的基底相同的基底上形成驱动所述单位像素并且驱动所述校正电路中的晶体管的驱动器。
7.如权利要求6所述的光电转换设备，其中
所述驱动器对于所述单位像素的矩阵排列的多个像素行同时驱动所述校正电路中的晶体管。
8.如权利要求7所述的光电转换设备，其中
为所述单位像素的矩阵排列的一个像素列提供至少两条信号线，电信号通过所述读出晶体管读出到所述至少两条信号线。
9.一种用于驱动具有以矩阵排列的单位像素的光电转换设备的方法，每个单位像素包括光电转换元件和源极跟随器读出晶体管，所述源极跟随器读出晶体管通过栅极接收源自通过所述光电转换元件的光电转换的信号电荷，并且读出依赖于所述信号电荷的电信号，所述方法包括以下步骤：
如果给到所述读出晶体管的栅极的参考电势定义为Vref，并且所述读出晶体管的阈值电压定义为Vth，则在通过所述读出晶体管的信号读出之前，将所述读出晶体管的栅极电势重置为Vref+Vth。
10.一种具有以矩阵排列的单位像素的放射线成像设备，每个单位像素包括：
放射线检测器，配置为对入射放射线敏感，并且生成信号电荷；
源极跟随器读出晶体管，配置为通过栅极接收由所述放射线检测器生成的信号电荷，并且读出依赖于所述信号电荷的电信号；以及
校正电路，配置为如果给到所述读出晶体管的栅极的参考电势定义为Vref，并且所述读出晶体管的阈值电压定义为Vth，则在通过所述读出晶体管的信号读出之前将所述读出晶体管的栅极电势重置为Vref+Vth。
11.一种用于驱动具有以矩阵排列的单位像素的放射线成像设备的方法，每个单位像素包括：放射线检测器，其对入射放射线敏感并生成信号电荷；以及源极跟随器读出晶体管，其通过栅极接收由所述放射线检测器生成的信号电荷，并且读出依赖于所述信号电荷的电信号，所述方法包括以下步骤：
如果给到所述读出晶体管的栅极的参考电势定义为Vref，并且所述读出晶体管的阈值电压定义为Vth，则在通过所述读出晶体管的信号读出之前将所述读出晶体管的栅极电势重置为Vref+Vth。
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