CN101981916A - 一种矩阵微电子装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种矩阵微电子装置，其包含：依照一矩阵来排列的多个基本单元(10011，10012，10021，10022)，其中各个基本单元至少包含一由至少一个电流源晶体管(T1)所形成的电流源；晶体管(T1)的源极连接至多个电源偏压导线(1051，1052)中的一电源偏压导线，其中电源偏压导线分别连接矩阵的列单元的各个电流产生器晶体管的源极；晶体管(T1)的栅极连接至多个栅极偏压导线中的一栅极偏压导线(1071，1072)，其中栅极偏压导线连接矩阵列单元的各个电流产生器晶体管的各栅极。本发明的一种矩阵微电子装置，特别是用于电磁辐射(例如，X射线)的检测，其中该装置的基本单元或元素分别设有一不具有缺失的电流源。

Description

一种矩阵微电子装置
技术领域
本发明涉及一种关于由基本单元或矩阵元素所形成的微电子装置，特别涉及一种应用在每一元素中具有电源源的矩阵微电子装置。
本发明允许同质消耗(homogeneous consumption)并可获得一矩阵装置(其中该单元分别设有电流源)的元素或基本单元间的性能。
本发明提供由基本单元所形成的矩阵微电子装置的使用，其中该基本单元分别包含一电流源(其消耗取决于二个偏压电位差)以及用以补偿一或数条导线(将该二电位的其中一者载送至该单元)的欧姆压降的手段。
背景技术
在一矩阵微电子装置(如一X射线检测器矩阵)中，自该矩阵的基本单元或元素所送出的信号一般由扫描该矩阵的水平线或列来读取。选择该矩阵的一已知导线或者已知水平列可例如容许来自此已知线的元素的输出信号将在该矩阵的垂直行或列上被获得。
由一导电网路(其可为由导线或者导电栅极所构成)将该电源供应或领航电压供应至该等元素。该电源供应或领航电压在此导电网路(其可在大矩阵上)中的欧姆压降达到数十毫伏特或者甚至更高。
X射线检测矩阵微电子装置(由2个水平列以及2个垂直列的基本单元(也称为元素1011，1012，1021，1022)的2*2矩阵所构成)的范例如图1所示。在此装置中，每一元素的消耗主要为由晶体管T1所形成的电流源。此电流源仅在选择该矩阵的水平列或行时才启动。由此电流源所供应的电流取决于此晶体管T1的电压Vgs＝(Vg-Vs)。
该电流源晶体管T1在低反转(low inversion)偏压的情况下，其介于漏极及源极之间的电流Ids可由下列关系式来定义：Ids＝(I0*e(Vgs/kT/q)))，
其中：
I0：为特别取决于该晶体管T的几何条件的常数，
K：为波兹曼常数，
T：为凯氏温度，
g：为电荷。
此关系显示出电流Ids在环境温度下可能变化非常快，例如，针对比较少变动的栅源极电压Vgs(约为18mV)而为因子2。
在对该晶体管T1施以高反向偏压的情况下，定义该电流Ids的方程式是不同的，但问题仍相同。将电位Vg施加至该晶体管T1的栅极，在栅极造成非常小的电流消耗。因此，在供应电位Vg至作为电流源的该晶体管T1的所有栅极的导电网路中，欧姆压降比较低。反过来，将电位Vs施加至晶体管T1的源极，在源极处造成较大的电流消耗。设计以自该晶体管T1的源极载送该电流Ids的对应导电网路接着会承受主要欧姆压降且明显不同于矩阵中该晶体管位置的功能。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提出一种矩阵微电子装置，特别是用于电磁辐射(例如，X射线)的检测，其中该装置的基本单元或元素分别设有一不具有上述缺失的电流源。
本发明可通过以下技术方案予以解决：
本发明一种矩阵微电子装置，其包含：
依照一矩阵来排列的多个基本单元(10011，10012，10021，10022)，其中所述各个基本单元至少包含一由至少一个电流源晶体管(T1)所形成的电流源；
-所述晶体管(T1)的源极连接至多个电源偏压导线(1051，1052)中的一电源偏压导线，其中所述电源偏压导线分别连接所述矩阵的列单元的各个电流产生器晶体管的源极；
-所述晶体管(T1)的栅极连接至多个栅极偏压导线中的一栅极偏压导线(1071，1072)，其中所述栅极偏压导线连接所述矩阵列单元的各个电流产生器晶体管的各栅极；
其中该装置还包含用以偏压所述栅极偏压导线的手段，其包含：
-至少一第一连接线(108，218)，其可连接至至少若干所述栅极偏压导线，
-用以产生电流(210)或电压(110-120)的手段，其设在所述第一连接线的至少一端上，以及提供用以产生沿所述第一连接线的电位变化。
本发明所述产生手段为用以产生包含有施加一第一电位(vg1)至所述第一连接线的第一端的手段(110)以及施加一第二电位(vg2)至所述第一连接线相对于所述第一端的第二端的手段(120)。
本发明所述第一电位(vg1)以及所述第二电位(vg2)在功能上提供至少一电源偏压线端间的电位降低的至少一个评估。
本发明所述产生手段为用以产生一参考电流(I1)的手段(210)，其中所述矩阵的一或若干列还包含：至少一个相配合的附加晶体管(T’1)，以便分别与所述矩阵的所述列单元的电流产生器晶体管(T1)形成电流镜，其中所述参考电流(I1)作为所述电流镜的输入电流。
本发明所述偏压线(1051，1052)由一第二连接线(106)而互相连接，其中所述附加晶体管沿一连接至所述第二连接线的附加导线(208)而设置。
本发明所述附加导线(208)与所述电源偏压导线相同。
本发明所述矩阵的一或若干列还包含：受控于一用以选择一列单元的信号(phi_line(i))的切换晶体管(T’2)，其中所述选择信号的状态在功能上可将所述参考电流(I1)传送至一列单元的电流镜的输入。
本发明所述电流镜的电流增益等于1/K(其中K＞1)，其中所述附加导线(208)具有一比所述电源偏压导线(1051，1052)的电阻小K倍的线性电阻。
本发明所述第一连接线(108)设有一线性电阻(R_lat(i))，其相等或实质上相等于所述电源偏压导线(1051，1052)的各线性电阻(R_pix(i，j))。
本发明一连续电流源晶体管(T1)的晶体管分别具有连接到相同电源偏压导线的源极，以及分别连接至所述其中一个栅极偏压导线的栅极，其中产生手段以及所述些第一连接线设置为用以设定所述连续晶体管栅极的栅极电位为减少电位。
附图说明
图1为先前技术的矩阵微电子装置；
图2为本发明的矩阵微电子装置的第一实施例；
图3为本发明的矩阵微电子装置的第二实施例。
图中，
1011，1012，1021，1022，元素；            T1，晶体管；
10011，10012，…，10021，10022，…，100ij，100mn，基本单元；
101，区块；                                102，定址电路；
1051，1052，导线；                         106，连接区；
1071，1072、108、208、218，导线；          210，电流源；
T’2，切换晶体管。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明：
本发明的矩阵微电子装置的实施例如下：此装置包含一n个水平列以及m个垂直列基本单元10011，10012，…，10021，10022，…，100ij，100mn的矩阵，其中n可等于m并且其可介于1至10000之间，例如等于2000。
该些基本单元可为电磁辐射感测器元素以及可分别包含至少一个电磁辐射检测器元件(例如X射线检测)，以及至少一个与该检测器有关联的电子电路。
依照一变形，该些基本单元可为读取矩阵的单元，其中该些单元分别与一混合生成或装配或沈积于该矩阵上的光电导元件(例如，CdTe、CdZnTe、PbI2、HgI2、PbO、Se类型)有关联。
本发明可应用于其它类型的大矩阵微电子装置，特别是可应用于分别设有电流源的元素矩阵。
基本单元的矩阵可为大尺寸，例如约十平方公分或者数百平方公分，例如约10cmx10cm或者20cmx20cm的大小。
在X射线检测器的矩阵的情况下，该些基本单元可分别包含可感光的光检测器(例如以光二极管或光晶体管构成)连接至一或若干个以闪光层为基础的CsI或Gd2O2S，例如，其容许检测X光子并且将其转换成可见光子。使用CMOS技术所制成的构件将可见光子转换成电荷来实行该检测。
如图2所示，一实施例显示其中n＝2以及m＝2的基本单元或元素10011、10012、10021、10022。
该矩阵装置的每一基本单元或元素可包含如一光二极管以及多个晶体管(每一元素的该光二极管以及该些晶体管如图2中的元件符号101的区块的形式来概略显示)。该装置也包含一或若干定址电路，以及针对该矩阵的水平线或列特别包含至少一个定址电路102，例如由一或若干差值寄存器(offset registers)来形成。依照该装置的一个可行实施例，由该些元素所检测以及以信号形式来转译的该些尺寸可使用一由该定址电路102所产生的列i(其中1≤i≤n)的选择信号Phi_line(i)来逐线读取。
设置资料线(没有显示于此图式中)以载有来自该矩阵的垂直列或行的该些单元或元素的信号，其中这些信号接着被多路传输。
每一元素的一或若干晶体管可被连接至供应电源供应电位Vdd的偏压线。
该矩阵的每一单元或元素也包含一电流源，其可由一晶体管T1来构成，对该晶体管偏压使得其处于饱和操作。
导线1051、1052(例如为垂直方式)设置为用以作为该矩阵的(例如垂直的)列的每一元素的晶体管T1的各源极的偏压线。该些源极偏压导线1051、1052可在该矩阵的边缘处由一连接区106而被互相连接。该些源极偏压导线1051、1052分别具有一标有R_pix(i，j)的线性电阻。沿着该些源极偏压线1051、1052，该些晶体管T1的源极的电位可能被降低。
该连接区106可由至少一垂直于该些源极偏压线1051、1052的导线来构成，其设定为电位Vs(例如约0V)，以及使得该些导线1051、1052与可忽略的连接区106(例如至少低于1mV)间的交互连接点处的电位差可充分导电。
依照一可行性，提供可充分与该些导线1051、1052导电的连接区106，或者允许该连接区106传送一比该些导线1051、1052的电流还大的电流，该连接区106可被作成较大尺寸，例如该些导线1051、1052还大十或数十倍。该连接区106可被设置为例如约100μm的宽度，同时该些导线1051、1052可被设置为约2μm的宽度。
该连接区106也可被用在比该些导线1051、1052更多金属互相连接层上。例如，该连接区106可使用CMOS技术而被用在2层互相连接层上，同时该些导线1051、1052可被用在单一层上。
该连接区可包含多个连接器接脚，其沿着一导线而作规则间距。
导线1071、1072(例如水平方向)设置为用以作为该矩阵的(例如，水平的)列的每一元素的电流源晶体管T1的各个闸极的偏压线。
这些导线1071、1072可由一连接区108而被互相连接。该连接区108可以至少一条垂直于该些闸极偏压线1071、1072的第二导线来构成。该连接区108可具有一线性电阻R_lat(i)，以致使关系式R_lat(i)/R_pix(i，j)为常数。可设计该些导线1051、1052以及该导线108，使得关系式R_lat(i)/R_pix(i，j)等于1。在此情况下，该连接区108可以一相同于该些导线1051、1052的导线形式。
该导线108使用包含允许提供该第一电位Vg1的手段110的产生手段而具有一设有第一电位Vg1的一端，以及设有一第二电位的另一端，例如左边不受控制或者连接至允许提供一不同于该第一电位的第二电位Vg2的手段120。可使用以允许供应该第二电位Vg2的手段为特征的该产生手段来施加该第二电位Vg2。依照一范例，当Vs约为0V且Rlat约为1Ω时，元素电流约为0.1mA并且导线数约为2000，该些电位Vg2与Vg1可为约0.7伏特以及0.5伏特。
由施加不同电位Vg1与Vg2至该导线108的端部，对此导线108(其连接至该些电流源晶体管T1的栅极)导入一电流。沿着该导线108发生电位上的改变或者电位变动或电位减少，以便在具有该第二导线的每一栅极导线1071、1072的相互连接处获得一电位差。
如图2所示，在点P10、该第一连接区108与一栅极偏压导线1071的互相连接处上的电位，不同于在点P20、该第一连接区108与另一栅极偏压导线1072的互相连接处上的电位。
沿着每一删极导线1071、1072(实质上相同于沿着其整体长度)的电位(给定该些电流源晶体管T1的栅极电压)导致非常小的消耗。例如，在点P10、该第一连接区108与栅极偏压导线1071的交互连接处的电位实质上相同于在该栅极偏压导线1071的第二点P11处(其位在该电流源晶体管T1的栅极处)的电位，以及实质上相同于在该栅极编压导线1071的第三点P12处(其位于另一电流源晶体管T1的栅极处)的电位。
可提供二电位Vg2及Vg1以作用为评估该些源极偏压导线1051、1052的各端间的电位差。
此评估可由实验方式或者例如由使用软体(诸如，Pspice(Cadence)或者Eldo(Mentor Graphics))的电脑模拟来实现。
例如，可设定该二电位Vg2及Vg1使得该二电位间的电位差Vg2 Vg1相等于Vs(N)-Vs(1)的评估，其中1及N指定该矩阵的垂直列端部处的元素。
在此方式下，将来源电位载送至该矩阵的元素的垂直列的导线1051、1052中的欧姆压降，可由产生一改变或减少对应于一导线(垂直于载送该栅极电位的导线)的电位而被补偿。因此，可获得该栅极电位与源极电位间的电位差Vg-Vs，其对于所有电流源晶体管T1实质上都均等。因此，可获得一大体上为常数的消耗(从该矩阵的一元素至另一元素)。
依照本发明的装置的第二实施例如图3所示。
此装置不同于前述装置，特别是其包含一元件符号为208的导线(当已移除该导线108时)，其连接至该第一连接区106(其连接该些源极偏压导线1051、1052)。该导线208最好相同于该源极导线1051、1052，特别是在线性电阻方面，并且其可与后者并联。
该装置也设有形成一电流源I1的手段210，例如，有助于电晶体偏压使其为饱和操作，例如一PMOS电晶体，其具有设有一电位Vref的闸极以及设有电位Vdd的漏极。该电流源210可被设在一导线218的端部处。当选择这些电晶体并且其接着供应一输出信号以及供应电流时，可将该电流I1供应至该矩阵的元素的电流源晶体管T1的各栅极。
为此，可设置多个切换电晶体T’2。该些切换晶体管T’2可受控于该矩阵的元素的水平线或列的选择信号phi_line。该些切换晶体管T’2可设有例如一连接至一提供该线选择信号phi_line的定址电路输出的栅极，其中将一源极连接至产生该电流I1的手段210的输出，以及将一漏极连接至栅极线1071或1072。可设置该装置使其于每一水平线或列包含一切换电晶体T’2，其可将该电流源210连接至所选定的矩阵的线或列的栅极导线1071、1072。
该矩阵的每一列也可包含一装配于二极管中的附加晶体管T’1，其中该晶体管的源极连接至该导线208以及其栅极与漏极互相连接并连接至该些栅极偏压导线1071、1072中的栅极偏压线。
安装该矩阵的水平列或线的晶体管T’1，以致使其与该矩阵的水平列或线的电流产生器晶体管T1的每一个装配形成一电流镜。
此装置的操作可如下述：
当选择该矩阵的线i时，由该电流产生手段210所产生的电流I1通过由该线选择信号phi_line的启动始可导通的该切换晶体管。此电流I1由该导线208而被导流至电位Vs。
一列电流镜分别由装配一晶体管T’1以及一电流源电晶体T1而形成。
该导线208可相等或实质上相等于该些源极偏压导线1051、1052，特别是就线性电阻来说，以及使用该电流镜使得该电流I1等于由该些元素所供应的电流，其中装配于二极管中的该电晶体T’1的源极电位以相同于此相同线的电流源电晶体T1的各源极电位的值来建立。
依照另一个可行性，可设置该电流产生手段210以致使于该电流镜的输入电流I1与该电流镜的输出电流(由该些元素的电流源晶体管T1所供应)之间存有一种等于K的关系式。
在此情况下，由该晶体管T’1以及T1所形成的该电流镜的增益最好也等于1/K，同时也可设置该导线208使得其具有一比该些源极偏压导线1051、1052的电阻小K倍的线性电阻。此可让阻抗值降低至所供应的栅极电压以下。为获得具有此增益的电流镜，可配合该晶体管的尺寸W及L，通道宽度及通道长度，使得该电流I1大于该电流源晶体管T1所流出的电流K倍。
在上述的二个实施例中，在该矩阵的边缘处使用一导线，其可被连接至该栅极偏压导线，以及其中所产生的电压可相等于或成比例于该矩阵的源极偏压导线中的电压。
于源极导线中的欧姆压降现象因而获得补偿，并且于不同元素中维持该电流源晶体管的该源极电位与该栅极电位间的固定差值。
依照所提供的实施例的说明，仅藉由范例将参照随附图式而可更清楚了解本发明，但绝不局限于此。
在各个图式中相同、相似或者等效部位具有相同元件符号，以便从一图式变换至另一图式。
于图式中所示的各个部位不必依照相同比例，以更易于阅读该等图式。

Claims (10)

1.一种矩阵微电子装置，其特征在于：其包含：
依照一矩阵来排列的多个基本单元(10011，10012，10021，10022)，其中所述各个基本单元至少包含一由至少一个电流源晶体管(T1)所形成的电流源；
-所述晶体管(T1)的源极连接至多个电源偏压导线(1051，1052)中的一电源偏压导线，其中所述电源偏压导线分别连接所述矩阵的列单元的各个电流产生器晶体管的源极；
-所述晶体管(T1)的栅极连接至多个栅极偏压导线中的一栅极偏压导线(1071，1072)，其中所述栅极偏压导线连接所述矩阵列单元的各个电流产生器晶体管的各栅极；
其中该装置还包含用以偏压所述栅极偏压导线的手段，其包含：
-至少一第一连接线(108，218)，其可连接至至少若干所述栅极偏压导线，
-用以产生电流(210)或电压(110-120)的手段，其设在所述第一连接线的至少一端上，以及提供用以产生沿所述第一连接线的电位变化。
2.如权利要求1所述的矩阵微电子装置，其特征在于：所述产生手段为用以产生包含有施加一第一电位(vg1)至所述第一连接线的第一端的手段(110)以及施加一第二电位(vg2)至所述第一连接线相对于所述第一端的第二端的手段(120)。
3.如权利要求2所述的矩阵微电子装置，其特征在于：所述第一电位(vg1)以及所述第二电位(vg2)在功能上提供至少一电源偏压线端间的电位降低的至少一个评估。
4.如权利要求1所述的矩阵微电子装置，其特征在于：所述产生手段为用以产生一参考电流(I1)的手段(210)，其中所述矩阵的一或若干列还包含：至少一个相配合的附加晶体管(T’1)，以便分别与所述矩阵的所述列单元的电流产生器晶体管(T1)形成电流镜，其中所述参考电流(I1)作为所述电流镜的输入电流。
5.如权利要求4所述的矩阵微电子装置，其特征在于：所述偏压导线(1051，1052)由一第二连接线(106)而互相连接，其中所述附加晶体管沿一连接至所述第二连接线的附加导线(208)而设置。
6.如权利要求4或5所述的矩阵微电子装置，其特征在于：所述附加导线(208)与所述电源偏压导线相同。
7.如权利要求4至6所述的矩阵微电子装置，其特征在于：所述矩阵的一或若干列还包含：受控于一用以选择一列单元的信号(phi_line(i))的切换晶体管(T’2)，其中所述选择信号的状态在功能上可将所述参考电流(I1)传送至一列单元的电流镜的输入。
8.如权利要求4至7中任一项所述的矩阵微电子装置，其特征在于：所述电流镜的电流增益等于1/K(其中K＞1)，其中所述附加导线(208)具有一比所述电源偏压导线(1051，1052)的电阻小K倍的线性电阻。
9.如权利要求1至7项中任一项所述的矩阵微电子装置，其特征在于：所述第一连接线(108)设有一线性电阻(R_lat(i))，其相等或实质上相等于所述电源偏压线(1051，1052)的各线性电阻(R_pix(i，j))。
10.如权利要求9所述的矩阵微电子装置，其特征在于：一连续电流源晶体管(T1)的晶体管分别具有连接到相同电源偏压导线的源极，以及分别连接至所述其中一个栅极偏压导线的栅极，其中产生手段以及所述些第一连接线设置为用以设定所述连续晶体管栅极的栅极电位为减少电位。
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