CN103595929A - 光感测器及其光电管的驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是有关一种光感测器，其包括一光电管。光电管的栅极用以接收一栅极驱动信号。光电管根据栅极驱动信号来感测一光源，以产生一光电流信号。光电管包括一金属氧化物主动层。栅极驱动信号在一捕捉期间具有一第一电压准位，在一读取期间具有一第二电压准位，并且第一电压准位高于第二电压准位。光电管的栅极驱动信号在操作上引入一个可以让超量载子快速消灭的机制，因此光电管反应快速并同时保有良好的光灵敏度。另外，一种上述光电管的驱动方法亦被提出。
Description
技术领域
本发明是有关于一种感测器及其元件的驱动方法，且特别是有关于一种光感测器及其光电管的驱动方法。
背景技术
普遍常见的光感测器的实施方式为光二极管或光电管。然而，光二极管虽然具有反应快速的特点但却无法提供良好的信号对比。反之，光电管虽反应迟缓但却具有可观的灵敏度(Responsibility)。具体而言，光电管在照光后会在通道内产生大量的载子，即电子或电洞，然而一般光电管主动层内由照光所产生的超量载子(excess carrier)在光照后并不会立即消失，而是会停留一段相当的时间，如此便无法在短时间内进行下一次的感应，光灵敏度虽高，却不切实用。因此，一般光电管由于没有使光激发载子快速消失的机制，故虽拥有可观的光灵敏度却反应迟缓。是以，如果可以在光电管的操作上，引入一个可以让超量载子快速消灭的机制，就可以在照光之后快速去除残留的光激发载子而达成即时(real-time)感测的效果。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有的光电管存在的问题，而提供一种光感测器，其光电管反应快速并同时保有良好的光灵敏度，可达成即时感测的效果。
本发明的另一目的在于，克服现有的光电管存在的问题，而提供一种光电管的驱动方法，其可使光感测器的光电管反应快速并同时保有良好的光灵敏度，可达成即时感测的效果。
本发明提供一种光感测器，其包括一光电管。光电管的栅极用以接收一栅极驱动信号，并且光电管根据栅极驱动信号来感测一光源，以产生一光电流信号。栅极驱动信号在一捕捉期间具有一第一电压准位，在一读取期间具有一第二电压准位，并且光电管包括一金属氧化物主动层。
在本发明的一实施例中，上述的栅极驱动信号在一感应期间具有一第三电压准位。
在本发明的一实施例中，上述的光电管的漏极在读取期间用以接收一漏极驱动信号。漏极驱动信号在读取期间具有第四电压准位。
在本发明的一实施例中，上述的光电管的漏极在非读取期间用以接收漏极驱动信号。漏极驱动信号在非读取期间具有第五电压准位。第五电压准位低于第四电压准位。
在本发明的一实施例中，上述的光电管的源极用以接收一源极驱动信号。源极驱动信号具有第五电压准位。
本发明提供一种光电管的驱动方法，其包括如下步骤。在一捕捉期间，施加一栅极驱动信号至光电管的栅极，其中栅极驱动信号具有一第一电压准位。在一读取期间，施加栅极驱动信号至光电管的栅极，其中栅极驱动信号具有一第二电压准位。光电管根据栅极驱动信号来感测一光源，以产生一光电流信号，并且光电管包括一金属氧化物主动层。
在本发明的一实施例中，上述的第一电压准位高于第二电压准位。
在本发明的一实施例中，上述的读取期间与捕捉期间在时序上交错排列。
在本发明的一实施例中，上述的光电管的驱动方法还包括在一感应期间，施加栅极驱动信号至光电管的栅极，其中栅极驱动信号具有一第三电压准位。
在本发明的一实施例中，上述的第二电压准位高于第三电压准位。
在本发明的一实施例中，上述的栅极驱动信号的一个周期包括感应期间、读取期间及捕捉期间，且三者在周期内依序排列。
在本发明的一实施例中，上述的光电管的驱动方法还包括在读取期间，施加一漏极驱动信号至光电管的漏极。漏极驱动信号具有第四电压准位。
在本发明的一实施例中，上述的光电管的驱动方法还包括在非读取期间，施加漏极驱动信号至光电管的漏极。漏极驱动信号具有第五电压准位。第五电压准位低于第四电压准位。
在本发明的一实施例中，上述的光电管的驱动方法还包括施加一源极驱动信号至光电管的源极。源极驱动信号具有第五电压准位。
在本发明的一实施例中，上述的栅极驱动信号的频率大于光源的照光频率。
基于上述，在本发明的范例实施例中，光电管的栅极驱动信号在操作上引入一个可以让超量载子快速消灭的机制，因此光电管反应快速并同时保有良好的光灵敏度。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1绘示本发明一实施例的光电管的概要示意图。
图2绘示图1实施例的光电管的电性示意图。
图3绘示本发明一实施例的光电管的各驱动信号的概要波形图。
图4绘示主动层材料为氧化铟镓锌的光电管实际的操作电性图。
图5绘示本发明一实施例的光电管的驱动方法流程图。
图6绘示本发明另一实施例的光电管的各驱动信号的概要波形图。
图7绘示主动层材料为氧化铟镓锌的光电管实际的操作电性图。
图8绘示本发明另一实施例的光电管的驱动方法流程图。
【主要元件符号说明】
100：光电管 110：栅极
120：源极 130：漏极
140：主动层 150：介电层
T1：捕捉期间 T2：读取期间
T3：感应期间 VG：栅极驱动信号
VS：源极驱动信号 VD：漏极驱动信号
V1：第一电压准位 V2：第二电压准位
V3：第三电压准位 V4：第四电压准位
V5：第五电压准位 TL：照光期间
TLB：非照光期间 ID、I1、I2：漏极电流
S500、S510、S800、S810、S820：光电管的驱动方法的步骤
具体实施方式
为进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段以及其功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的光感测器及其光电管的驱动方法的具体实施方式、结构、流程、特征及其功效，详细说明如后。
要如何消除光电管的超量载子即为本发明的重要概念其中之一，本发明提出利用光电管本身的缺陷(defect)来捕捉在主动层中因照光所产生的超量载子。
图1绘示本发明一实施例的光电管的概要示意图。请参考图1，本实施例的光电管100至少包括栅极110、源极120、漏极130、主动层140及介电层150等结构，如图1所示。在本实施例中，主动层140的材料包括金属氧化物半导体，例如氧化铟镓锌(Indium Gallium Zinc Oxide，IGZO)或氧化铪铟锌(Hafnium Indium Zinc Oxide、HIZO)，但本发明并不加以限制，图1中所标示的材料及其厚度仅用以例示说明。
图2绘示图1实施例的光电管的电性示意图。请参考图1及图2，图2所绘示者例如是一n型通道(n-channel)金属氧化物电晶体的电气特性，其呈现出存储介质的特质。在本实施例中，光电管100照光后其电性曲线会左移，即图2中的曲线(2)与曲线(4)。在光电管100的栅极110施加正电压会让其电性曲线右移，即图2中的曲线(1)与曲线(3)。曲线右移代表在主动层140中因照光所产生的超量载子被捕捉(trap)，而捕捉电子的机构即为主动层140或主动层140与介电层150介面的缺陷。利用缺陷来快速消灭超量载子可使光电管100具备即时感应的机制。以金属氧化物半导体来说，其具有相当可观的缺陷。
应注意的是，本发明的驱动方法可广泛地应用在任何常见的光电管结构，并不需要特别的机构设计，且不限于图1所揭示的光电管，也不限于具有图2的电气特性的光电管。为更清楚地了解本发明，以下将配合图式，以至少一范例实施例来详细说明光电管的操作方式。
图3绘示本发明一实施例的光电管的各驱动信号的概要波形图。请参考图1及图3，本实施例的电压信号VG为施加于光电管100的栅极110的驱动信号，其在捕捉期间T1具有第一电压准位V1，在读取期间T2具有第二电压准位V2。并且，第一电压准位V1高于第二电压准位V2。在此例中，第一电压准位V1例如是10伏特，第二电压准位V2例如是0伏特，但本发明并不加以限制。在实际应用上，至少为了配合驱动信号VG，本实施例亦同时针对光电管100的漏极130及源极120的作动方式加以设定。在本实施例中，光电管100的漏极130用以接收漏极驱动信号VD。在读取期间T2，漏极驱动信号VD具有第四电压准位V4，其准位根据实际设计需求，可实质上与第一电压准位V1相同或不相同。在非读取期间，漏极驱动信号VD具有第五电压准位V5，其准位根据实际设计需求，可实质上与第二电压准位V2相同或不相同。此处的非读取期间包括捕捉期间T1。另外，本实施例的光电管100的源极120用以接收源极驱动信号VS。无论在捕捉期间T1或读取期间T2源极驱动信号VS的准位实质上都是等于第五电压准位V5。
在图3中，光源在照光期间TL处于高准位代表光电管100被照光。在本实施例中，主动层140或其与介电层150介面的缺陷在照光期间TL并不会发生捕捉超量载子的行为。也就是说，所述缺陷在照光期间TL并不阻碍超量载子的生成，只在非照光期间TLB才开始作用。因照光所产生的超量载子在光源移除后会被所述缺陷快速捕捉而失去移动力，而被捕捉的超量载子在照光再次执行时，会被释放出来。亦即是在照光期间TL，所述缺陷不作用。
所以当一连串接续的亮态及暗态发生时，光电管100内的超量载子将连续的被活化及冻结，以表现出即时性的作动。在本实施例中，光电管100的缺陷产生捕捉超量载子的行为是在其栅极施加第一电压准位V1的情况下，因此施加正栅极偏压的同时，光电管100的通道内会注入大量的电子，此时并不适合读取信号，因为所述通道此时混合超量载子及正栅极偏压所引入的电子，故施加正栅极偏压期间之外的时间点，即在读取期间T2所截取到的信号才是正确的。因此，本实施例的栅极驱动信号VG的电压准位是呈现周期性的变化，在时序上设定为读取期间T2与捕捉期间T1交错排列。应注意的是，读取期间T2与捕捉期间T1的责任周期(duty cycle)并不用以限定本发明，在此处是以1：1作为例示说明。捕捉期间T1栅极偏压为相对大的正电压，而读取期间T2栅极偏压则可设定在0V左右。栅极驱动信号VG的频率基本上决定了光感应的速度，惟栅极驱动信号VG的周期必须短于照光期间TL才能做出即时性的反应。如图3所示，在照光期间TL，光电管100根据栅极驱动信号VG来感测光源以产生光电流信号ID，此处的光电流信号例如是指光电管100的漏极电流ID。当光电管100受光照射时，在照光期间TL漏极电流ID将为振荡模式，其具有与栅极驱动信号VG相同的变化周期，此时光强度信号即为漏极电流ID的振幅，其值例如为I1。
图4绘示主动层材料为氧化铟镓锌的光电管实际的操作电性图，利用图3的信号来驱动此类光电管，其漏极电流对光不但有即时的反应，而且亮态与暗态的信号比高达1万倍。
总结来说，图5绘示本发明一实施例的光电管的驱动方法流程图。请参考图5，本实施例的光感测器例如包括图1的光电管，此驱动方法包括如下步骤。首先，在步骤S500中，在读取期间T2，分别施加第二电压准位V2的栅极驱动信号VG、第四电压准位V4的漏极驱动信号VD及第五电压准位V5的源极驱动信号VS至光电管100的栅极110、漏极130及源极120。接着，在步骤S510中，在捕捉期间T1，分别施加第一电压准位V1的栅极驱动信号VG、第五电压准位V5的漏极驱动信号VD及第五电压准位V5的源极驱动信号VS至光电管100的栅极110、漏极130及源极120。因此，光电管100可根据上述驱动信号来感测光源，以产生光电流信号ID。应注意的是，此驱动方法的步骤S510也可先于步骤S500执行，两者的顺序并不用以限定本发明。
另外，本发明的实施例的光电管的驱动方法可以由图1至图4实施例的叙述中获致足够的教示、建议与实施说明，因此不再赘述。
图6绘示本发明另一实施例的光电管的各驱动信号的概要波形图。请参考图1及图6，本实施例的各驱动信号类似于图3，惟两者之间主要的差异例如在于图6的栅极驱动信号VG还包括一感应期间T3，在此期间内栅极驱动信号VG具有一第三电压准位V3，其例如为一负电压值，详细说明如下。
在本实施例中，栅极驱动信号VG的一个周期包括感应期间T3、读取期间T2及捕捉期间T1，且三者在每个周期内依序排列，惟三者的排列顺序及责任周期并不用以限定本发明。本实施例的栅极驱动信号VG在感应期间T3、读取期间T2及捕捉期间T1分别具有第一电压准位V1、第二电压准位V2及第三电压准位V3，其电压准位值的其中一种实施方式例如是V1=30伏特、V2=0伏特、V3=-10伏特，惟本发明并不加以限制。
类似于图3的实施例，本实施例亦同时针对光电管100的漏极130及源极120的作动方式加以设定。在本实施例中，在读取期间T2，漏极驱动信号VD的准位实质上等于第四电压准位V4，在非读取期间漏极驱动信号VD的准位实质上等于第五电压准位V5。此处的非读取期间包括感应期间T3及捕捉期间T1。另外，在本实施例中，无论是捕捉期间T1或读取期间T2，源极驱动信号VS的准位实质上都是等于第五电压准位V5。
以金属氧化物电晶体来说，施加负栅极偏压伴随照光会造成电洞在主动层140与介电层150的介面被捕捉，电洞被捕捉的结果是在同一个栅极电压下吸引更多的电子。也就是说，施加负栅极偏压会造成更多的超量载子，而这些超量载子同样可在暗态下被缺陷捕捉。所以本实施例以在图3的读取期间T2及捕捉期间T1架构中再安插一个感应期间T3，使栅极驱动信号VG的一个周期包括感应期间T3、读取期间T2及捕捉期间T1。在感应期间T3，栅极偏压为相对大的负电压，在读取期间T2，栅极偏压则可设定在0V左右，而在捕捉期间T1，栅极偏压为相对大的正电压。
在本实施例中，光电管100根据栅极驱动信号VG来感测光源以产生光电流信号ID，此处的光电流信号例如是指光电管100的漏极电流ID。当光电管100受光照射时，在照光期间TL漏极电流ID将为振荡模式，其具有与栅极驱动信号VG相同的变化周期，此时光强度信号即为漏极电流ID的振幅，其值例如为I2。相较于图3的实施例，由于本实施的栅极驱动信号VG还包括 感应期间T3，因此漏极电流ID的振幅I2相较I1为大。
图7绘示主动层材料为氧化铟镓锌的光电管实际的操作电性图，利用图6的信号来驱动此类光电管，其漏极电流对光不但有即时的反应，而且亮态与暗态的信号比高达10万倍。
总结来说，图8绘示本发明另一实施例的光电管的驱动方法流程图。请参考图8，本实施例的光感测器例如包括图1的光电管，此驱动方法包括如下步骤。首先，在步骤S800中，感应期间T3，分别施加第三电压准位V3的栅极驱动信号VG、第五电压准位V5的漏极驱动信号VD及第五电压准位V5的源极驱动信号VS至光电管100的栅极110、漏极130及源极120。接着，在步骤S810中，在读取期间T2，分别施加第二电压准位V2的栅极驱动信号VG、第四电压准位V4的漏极驱动信号VD及第五电压准位V5的源极驱动信号VS至光电管100的栅极110、漏极130及源极120。之后，在步骤S820中，在捕捉期间T1，分别施加第一电压准位V1的栅极驱动信号VG、第五电压准位V5的漏极驱动信号VD及第五电压准位V5的源极驱动信号VS至光电管100的栅极110、漏极130及源极120。因此，光电管100可根据上述驱动信号来感测光源，以产生光电流信号ID。应注意的是，此驱动方法的步骤S800、S810、S820的执行顺序并不用以限定本发明。
另外，本发明的实施例的光电管的驱动方法可以由图1至图2及图6至图7实施例的叙述中获致足够的教示、建议与实施说明，因此不再赘述。
综上所述，在本发明的范例实施例中，光电管结构可为任何常见结构之一，并不需要特别的机构设计。让超量载子在进入暗态后快速消灭的方式为周期性地在光电管的栅极施加正偏压，偏压的施加频率基本上决定了光电管的感测速率。此外，周期性地在光电管的栅极施加负偏压亦可形成正电荷来捕捉超量载子而提高亮态下的载子数，从而可以提高亮暗态的信号比。因此，本发明的光电管的驱动方法可维持一般光电管的高灵敏度特质，并大幅改善其反应速度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (20)
1.一种光感测器，其特征在于，包括：
一光电管，其栅极用以接收一栅极驱动信号，并且该光电管根据该栅极驱动信号来感测一光源，以产生一光电流信号，
其中该栅极驱动信号在一捕捉期间具有一第一电压准位，在一读取期间具有一第二电压准位，并且该光电管包括一金属氧化物主动层。
2.如权利要求1所述的光感测器，其特征在于该第一电压准位高于该第二电压准位。
3.如权利要求1所述的光感测器，其特征在于该读取期间与该捕捉期间在时序上交错排列。
4.如权利要求1所述的光感测器，其特征在于该栅极驱动信号在一感应期间具有一第三电压准位。
5.如权利要求4所述的光感测器，其特征在于该第二电压准位高于该第三电压准位。
6.如权利要求4所述的光感测器，其特征在于该栅极驱动信号的一个周期包括该感应期间、该读取期间及该捕捉期间，且三者在该周期内依序排列。
7.如权利要求1所述的光感测器，其特征在于该光电管的漏极在该读取期间用以接收一漏极驱动信号，其中该漏极驱动信号在该读取期间具有一第四电压准位。
8.如权利要求7所述的光感测器，其特征在于该光电管的漏极在非读取期间用以接收该漏极驱动信号，其中该漏极驱动信号在该非读取期间具有一第五电压准位，该第五电压准位低于该第四电压准位。
9.如权利要求8所述的光感测器，其特征在于该光电管的源极用以接收一源极驱动信号，其中该源极驱动信号具有该第五电压准位。
10.如权利要求1所述的光感测器，其特征在于该栅极驱动信号的频率大于该光源的照光频率。
11.一种光电管的驱动方法，其特征在于，包括：
在一捕捉期间，施加一栅极驱动信号至该光电管的栅极，其中该栅极驱动信号具有一第一电压准位；以及
在一读取期间，施加该栅极驱动信号至该光电管的栅极，其中该栅极驱动信号具有一第二电压准位，
其中该光电管根据该栅极驱动信号来感测一光源，以产生一光电流信号，并且该光电管包括一金属氧化物主动层。
12.如权利要求11所述的光电管的驱动方法，其特征在于该第一电压准位高于该第二电压准位。
13.如权利要求11所述的光电管的驱动方法，其特征在于该读取期间与该捕捉期间在时序上交错排列。
14.如权利要求11所述的光电管的驱动方法，其特征在于还包括：
在一感应期间，施加该栅极驱动信号至该光电管的栅极，其中该栅极驱动信号具有一第三电压准位。
15.如权利要求14所述的光电管的驱动方法，其特征在于该第二电压准位高于该第三电压准位。
16.如权利要求14所述的光电管的驱动方法，其特征在于该栅极驱动信号的一个周期包括该感应期间、该读取期间及该捕捉期间，且三者在该周期内依序排列。
17.如权利要求11所述的光电管的驱动方法，其特征在于还包括：
在该读取期间，施加一漏极驱动信号至该光电管的漏极，其中该漏极驱动信号具有一第四电压准位。
18.如权利要求17所述的光电管的驱动方法，其特征在于还包括：
在非读取期间，施加该漏极驱动信号至该光电管的漏极，其中该漏极驱动信号具有一第五电压准位，该第五电压准位低于该第四电压准位。
19.如权利要求18所述的光电管的驱动方法，其特征在于还包括：
施加一源极驱动信号至该光电管的源极，其中该源极驱动信号具有该第五电压准位。
20.如权利要求11所述的光电管的驱动方法，其特征在于该栅极驱动信号的频率大于该光源的照光频率。
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