CN102564581A - 光感测电路单元 - Google Patents

Abstract

一种用于光传感器的光感测电路单元，此光感测电路单元由光感测晶体管、储存电容、开关晶体管所组成；光感测晶体管用以接收光信号并据此产生光电流，其源极耦接至第一信号源，其栅极则耦接至第二信号源；储存电容用以储存光信号所产生的电荷，其一端耦接至光感测晶体管的漏极，其另一端耦接至低电位点；开关晶体管受控于第二信号源，用以将储存电容的读取信号输出至信号输出线；光感测晶体管的门电压大于开关晶体管的门电压。据此，光感测晶体管及开关晶体管的栅极共享同一信号源，可减少信号源的使用，而达到让光传感器省电的效果。

Description

光感测电路单元

技术领域

本发明涉及一种光传感器，且特别涉及光感测电路的光感测电路单元。

背景技术

现代电子装置的设计已普遍朝向具有低耗电量的方向来发展，以因应时代趋势。如图1所示，图1是传统光感测电路单元10的电路图。光感测电路单元10包括光感测晶体管TFT2、开关晶体管TFT1与储存电容Cs，其中需要的信号源有第一信号源V1、第二信号源V2，以及第三信号源V3。另外，有一信号输出线READOUT与开关晶体管TFT1的漏极耦接。由此可看出，光感测晶体管TFT2与开关晶体管TFT1的栅极需要各自独立的信号源V2及V3以给予个别的控制信号，这样一来将会增加信号源的使用，可能有无法减少耗电量的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种光感测电路单元。

本发明通过如下技术方案解决上述技术问题：

本发明提供了一种光感测电路单元，由光感测晶体管、储存电容、开关晶体管所组成，且光感测晶体管的门电压大于开关晶体管的门电压。光感测晶体管的源极耦接至第一信号源，且光感测晶体管的栅极耦接至第二信号源。储存电容，具有两端，其中第一端耦接至光感测晶体管的漏极，且第二端耦接至低电位点。开关晶体管的源极耦接至储存电容的第一端以及光感测晶体管的漏极，而开关晶体管的漏极耦接至信号输出线，且开关晶体管的栅极耦接至第二信号源。光感测晶体管用以接收光信号，并据此产生光电流。储存电容用以储存来自于光信号所产生的多个电荷。开关晶体管受控于第二信号，用以将储存于储存电容的读取信号输出至信号输出线。

依据本发明的技术方案，于曝光时间中，当光感测晶体管接收光信号时，第二信号源会提供写入电压，且写入电压低于光感测晶体管的门电压及开关晶体管的门电压。此时，晶体管皆处于截止状态，且第一信号源提供偏压，以使储存电容储存光感测晶体管的感应电荷。当曝光时间结束后，于读取时间中，第二信号源会提供读取电压，且读取电压电平在光感测晶体管的门电压及开关晶体管的门电压之间。如此，开关晶体管将会处于导通状态，且储存电容的读取信号会经由开关晶体管传输至信号输出线。

综上所述，本发明所提供的光感测电路单元的开关晶体管与光感测晶体管的栅极共享同一个信号源，而可以减少信号源的使用，并达到省电的效果。

为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，但是此等说明与附图仅用来说明本发明，而非对本发明的权利范围作任何的限制。

附图说明

图1为传统的光感测电路单元的电路图；

图2为本发明实施例的光感测电路单元的电路图；

图3为本发明实施例的第二信号源的波形图；

图4为本发明实施例的阵列式光传感器的电路图。

【主要元件附图标记说明】

10：光感测电路单元

20：光感测电路单元

40：阵列式光传感器

41：光感测阵列电路

42：第一信号源电路

43：第二信号源电路

44：输出电路

45：放大电路

TFT1：开关晶体管

Cs：储存电容

TFT2：光感测晶体管

V1：第一信号源

V2：第二信号源

V3：第三信号源

READOUT：信号输出线

Vth1：开关晶体管的门电压

Vth2：光感测晶体管的门电压

Vread：读取电压

Vwrite：写入电压

具体实施方式

(光感测电路单元的实施例)

图2是本发明实施例提供的一种光感测电路单元的电路图。光感测电路单元20包括光感测晶体管TFT2、储存电容Cs、开关晶体管TFT1所组成，且光感测晶体管TFT2的门电压Vth2大于开关晶体管TFT1的门电压Vth1。

再次参照图2，光感测晶体管TFT2的源极耦接至第一信号源V1，且光感测晶体管TFT2的栅极耦接至第二信号源V2。储存电容Cs具有两端，其中第一端耦接至光感测晶体管TFT2的漏极，且第二端耦接至低电位点。另外，开关晶体管TFT1的源极耦接至储存电容Cs的第一端以及光感测晶体管TFT2的漏极，而开关晶体管TFT1的漏极耦接至信号输出线READOUT，且开关晶体管TFT1的栅极耦接至第二信号源V2。

请同时参照图2及图3，图3为本发明实施例的第二信号源的波形图。当光感测晶体管接收光信号时，第二信号源V2提供写入电压Vwrite，且写入电压Vwrite低于光感测晶体管TFT2的门电压Vth2及开关晶体管TFT1的门电压Vth1。此时，晶体管皆处于截止状态，第一信号源V1此时可以是一个固定的偏压，而使光电流得以流入储存电容Cs，以使储存电容Cs储存光感测晶体管TFT2接收光信号所产生的感应电荷。另外，第二信号源V2提供写入电压Vwrite的这段时间可称为曝光时间，如图3所示。

当曝光时间结束时，第二信号源V2提供读取电压Vread，且其电压电平介于光感测晶体管TFT2的门电压Vth2及开关晶体管TFT1的门电压Vth1之间，如此开关晶体管TFT1将会处于导通状态，而储存电容Cs的光电信号会经由开关晶体管TFT1传输至信号输出线READOUT。另外，第二信号源V2提供读取电压Vread的这段时间可称为读取时间，如图3所示。

除此的外，需要说明的是，虽然图3的读取电压Vread与写入电压Vwrite为固定电压电平的电压，但在其他种实施方式中，读取电压Vread与写入电压Vwrite亦有可能为变动电压电平的电压，例如为逐渐上升的电压。总之，读取电压Vread与写入电压Vwrite的信号波形并非用以限定本发明，但写入电压Vwrite须低于光感测晶体管TFT2的门电压Vth2及开关晶体管TFT1的门电压Vth1，且读取电压Vread须介于光感测晶体管的门电压Vth2及开关晶体管的门电压Vth1之间。

另外，光感测晶体管TFT2可以为由氧化物半导体层当作通道层且亦可当作光感应层的氧化薄膜晶体管，且其氧化物半导体层为含有铟(In)、镓(Ga)、锌(Zn)任一种或其组合的材料。光感测晶体管TFT2的氧化物半导体层耦接至晶体管的源极与漏极。在本发明的一个实施例中，光感测晶体管TFT2的氧化物半导体层可以是铟镓锌氧化非晶氧化物(In-Ga-Zn-O，IGZO)薄膜晶体管。

光感测晶体管TFT2更可以具有栅极绝缘层沉积于其栅极与氧化物半导体层的间，以避免其栅极与氧化物半导体层相互接触。光感测晶体管TFT2的栅极为含有钼(Mo)、铬(Cr)、铝(Al)、钛(Ti)、钽(Ta)、镍(Ni)任一种或其组合的材料。

开关晶体管TFTl可以为由氧化物半导体层当作通道层的氧化薄膜晶体管，且其氧化物半导体层为含有铟(In)、镓(Ga)、锌(Zn)任一种或其组合的材料。开关晶体管TFTl的氧化物半导体层耦接至晶体管的源极与漏极。在本发明的一个实施例中，开关晶体管TFTl的氧化物半导体层可以是铟镓锌氧化非晶氧化物(In-Ga-Zn-O，IGZO)薄膜晶体管。

开关晶体管TFTl更可以具有栅极绝缘层沉积于其栅极与氧化物半导体层之间，以避免其栅极与氧化物半导体层相互接触。开关晶体管TFTl的栅极为含有钼(Mo)、铬(Cr)、铝(Al)、钛(Ti)、钽(Ta)、镍(Ni)任一种或其组合的材料。

氧化薄膜晶体管可以通过调整氧化半导体层的厚度来改变门电压的大小，因此上述光感测晶体管TFT2与开关晶体管TFTl才会使用氧化薄膜晶体管来实现。然而，上述光感测晶体管TFT2与开关晶体管TFTl并非得为氧化薄膜晶体管，其余可以调整门电压的晶体管亦可以用以实现上述光感测晶体管TFT2与开关晶体管TFTl。

上述光感测晶体管TFT2、开关晶体管TFTl以及储存电容Cs皆可以沉积在基板上，并且可将保护绝缘层沉积于光感测晶体管TFT2、开关晶体管TFTl上，以由此将光感测电路单元10积体化。需要注意的是，积体化的光感测电路单元10并非用以限定本发明，本发明的感测电路单元10亦可以使用离散电路元件来实施。

(阵列式光传感器的实施例)

请参照图4，图4是本发明实施例所提供的一种阵列式光传感器的电路图。阵列式光传感器40包含光感测阵列电路41、第一信号源电路42、第二信号源电路43、输出电路44以及放大电路45。光感测阵列电路41是由多个图2的光感测电路单元20以阵列的形式所组成的电路，第一信号源电路42用以输出图2的第一信号源V1给光感测阵列电路4l中的光感测电路单元20，且第二信号源电路43用以输出图2的第二信号源V2给光感测阵列电路4l中的光感测电路单元20。另外，光感测阵列电路41电路的光感测电路单元20通过信号输出线READOUT与输出电路44耦接。

光感测阵列电路41的每一个光感测电路单元20侦测光信号并产生光电流。光感测阵列电路41的每一个光感测电路单元20于曝光时间中，通过光电流将光信号所产生的多个电荷储存于储存电容Cs中。于读取时间中，光感测阵列电路41的每一个光感测电路单元20会将储存电容Cs所储存的读取信号输出给输出电路44。输出电路44接收光感测阵列电路41的每一个光感测电路单元20所输出读取信号，并依序将每一个读取信号输出至放大电路45。要说明的是，阵列式光传感器40更可以具有滤波器，其用以滤除读取信号中的噪声，且滤波器的位置可以在放大电路45之前或之后。

请同时参照图2至图4，阵列式光侦测器的电路40其操作方式描述如下。首先，将光感测阵列电路41于曝光时间Texp取得入射光源的光信号，此时控制光感测阵列电路41的第一信号源电路42提供固定偏压作为第一信号源V1，而第二信号源电路43会提供写入电压Vwrite作为第二信号源V2。

在曝光时间结束时，光感测电路41已将光信号储存于以阵列形式排列在光感测阵列电路41中的储存电容Cs，并等待读取。接着，于读取时间Tread中，第二信号源电路43将提供读取电压Vread作为第二信号源V2。同时，输出电路44将取得储存在光感测阵列电路41中每一个光感测单元电路20的读取信号，且输出电路44会可将其将每一个读取信号依序传送至放大电路45。最后，放大电路45会依序将放大后的读取信号输出。

另外，要说明的是，第二信号源电路43与第一信号源电路42所提供给每一个光感测电路单元20的第二信号源V2与第一信号源V1会有所差异，以由此控制每一个光感测电路单元20的曝光时间与读取时间。一般来说，光感测阵列电路41的每一列依序地曝光，待每一列都曝光完毕后，光感测阵列电路41的每一列会依序地被读取。另外，在其他种实施方式中，光感测阵列电路41的每一列在依序曝光时，曝光中的那一列的上一列亦可以同时被读取，以节省冗长读取时间与重置时间。

(实施例的有益效果)

根据本发明实施例，上述的光感测电路单元将其光感测晶体管的源极耦接至第一信号源，且将其光感测晶体管的栅极与其开关晶体管的栅极耦接至第二信号源。因为光感测电路单元光的感测晶体管与开关晶体管的栅极可以使用同一个信号源，因此实施例的光感测电路单元及其光传感器可以减少信号源的使用，并达到省电的效果。

以上所述仅为本发明的实施例，其并非用以局限本发明的权利要求保护范围。

Claims (10)

1.一种光感测电路单元，其特征在于，该光感测电路包括：

光感测晶体管，具有第一栅极、第一源极与第一漏极，用以接收光信号，并据此产生光电流，其中该第一源极耦接至第一信号源，且该第一栅极耦接至第二信号源；

储存电容，具有第一端与第二端，用以储存来自于该光信号所产生的多个电荷，其中该第一端耦接至该第一漏极，且该第二端耦接至低电位点；以及

开关晶体管，具有第二栅极、第二源极与第二漏极，受控于该第二信号源，用以将储存于该储存电容的读取信号输出至信号输出线，其中该第二源极耦接至该第一端，该第二漏极耦接至该信号输出线，且该第二栅极耦接至该第二信号源；

其中该光感测晶体管的门电压大于该开关晶体管的门电压。

2.如权利要求1所述的光感测电路单元，其特征在于，该光感测晶体管与该开关晶体管为两个氧化薄膜晶体管，该光感测晶体管具有第一氧化物半导体层耦合至该第一源极与该第一漏极，且该开关晶体管具有第二氧化物半导体层耦合至该第二源极与该第二漏极。

3.如权利要求2所述的光感测电路单元，其特征在于，该第一与第二氧化物半导体层为含有铟、镓、锌任一种或其组合的材料。

4.如权利要求3所述的光感测电路单元，其特征在于，该光感测晶体管与该开关晶体管为两个铟镓锌氧化非晶氧化物薄膜晶体管。

5.如权利要求2所述的光感测电路单元，其特征在于，该光感测晶体管具有第一栅极绝缘层沉积于该第一栅极与该第一氧化物半导体层之间，以避免该第一栅极与该第一氧化物半导体层相互接触；且该开关晶体管具有第二栅极绝缘层沉积于该第二栅极与该第二氧化物半导体层，以避免该第二栅极与该第二氧化物半导体层相互接触。

6.如权利要求1所述的光感测电路单元，其特征在于，该第一与第二栅极为含有钼、铬、铝、钛、钽、镍任一种或其组合的材料。

7.如权利要求1所述的光感测电路单元，其特征在于，该光感测电路单元更包括基板，其中该光感测晶体管、该开关晶体管与该储存电容沉积于该基板上。

8.如权利要求7所述的光感测电路单元，其特征在于，该光感测电路单元更包括保护绝缘层沉积于该光感测晶体管与该开关晶体管上。

9.如权利要求1所述的光感测电路单元，其特征在于，于曝光时间时，该光信号照射该光感测晶体管，该第二信号源提供写入电压，且该第一信号源提供偏压，其中该写入电压低于该光感测晶体管的该门电压与该开关晶体管的该门电压，以使该光感测晶体管与该开关晶体管截止，以及使该光信号通过其产生的光电流将该些电荷送至该储存电容储存。

10.如权利要求9所述的光感测电路单元，其特征在于，于读取时间时，该第二信号源提供读取电压，其中该读取电压小于该光感测晶体管的该门电压且大于该开关晶体管的该门电压，以使该光感测晶体管截止，以及使该开关晶体管导通，进而让储存于该储存电容的该读取信号被输出至该信号输出线。

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