CN103975581B - 光电转换器、光电转换器阵列和成像器件 - Google Patents

Abstract

光电转换器包括：包括不同传导类型的至少两个半导体区域的第一pn结；以及包括与半导体区域之一连接的第一源极、第一漏极、第一绝缘栅极以及与半导体区域之一的传导类型沟道相同的传导类型沟道的第一场效应晶体管。用在其第一pn结相对于其他半导体区域的电势变为0偏置或反向偏置的第二电势供应第一漏极。当第一源极转到第一电势且第一半导体区域之一相对于其他半导体区域变为0偏置或反向偏置时，即使半导体区域中的任一个暴露给光时，通过向第一绝缘栅极供应第一栅极电势控制第一pn结不被深度正向电压偏置。

Description

光电转换器、光电转换器阵列和成像器件

相关申请的交叉引用

本申请基于并要求于2011年10月6日提交的日本专利申请第2011-222020号的优先权，其公开通过引用整体合并于此。

技术领域

本申请涉及用来转换作为光强度和波长等的光学信息以及光学图像为电流、电荷或包括数字数据的电信息的改进的光电转换器，以及涉及光电转换单元、由作为光电转换器的光电转换单元构成的光电转换器阵列以及合并这样的阵列的成像器件。

背景技术

如稍后将描述的，光电流在电浮置状态(floating state)下流过具有光电转换功能的第一pn结的一端并且在一个特定时间段内累积为电荷或累积的电荷被光电流放电。为了作为电信号检测其结果，一般地，如果光强度相对于累积时间或积累时间大，则与第一pn结的所述一端连接的电容被过充电或放电。这使得光电流流向第一pn结。结果是，第一pn结被深度(deep)正向电压偏置并且过量的少数载流子在相反传导类型的两个半导体区域中累积以形成第一pn结。这引起了响应速度劣化的问题，因为由于切换第一pn结到相反偏置所花费的所谓饱和时间引起的延迟与少数载流子的寿命相关联。此现象称为饱和效应。

日本专利公开第S47-18561号公开了为了防止pn结被深度正向电压偏置而将pn节与肖特基结并行连接的技术。因为在肖特基结处的正向电压小于在pn结处的正向电压以使得多数电流流入肖特基结，所以pn结可以防止被深度偏置。然而，在肖特基结处的反向电流比pn结处的反向电流大若干数量级，这增加了暗电流的总量。因此，此技术不能被采用于高敏感度光电转换器。

这里，当这里全部光电流作为正向电流流动时，被深度正向电压偏置的第一pn结指代第一pn结处的正向电压。如果作为正向电流的光电流流动的量减少到十分之一或更少以减少饱和时间到大约十分之一，则认为解决了饱和问题。在此情况下第一pn结处的正向电压小于深度偏置状态下的正向电压2.3kT/q(室温下大约60mV)。这里，在pn结如果不受控制就变得被深度正向电压偏置的环境条件下，使得pn结维持在0偏置或反向偏置状态并使得正向电压小于此深度正向电压2.3kT/q的控制称为饱和控制，其中k是Bolzman常数，T是光电转换器的绝对温度，而q是电子的基本电荷。

如果第一pn结由第一传导类型的第一半导体区域以及第二传导类型(何与其相邻的第一传导类型相反)的第二半导体区域形成，则累计的过量少数载流子在第一和第二半导体区域中的少数载流子的扩散长度内从第一pn结发散。扩散长度取决于载流子的类型、电子或空穴，或者半导体区域的电子特性而不同，并且第一和第二半导体区域之间的扩散长度不同。

此外，将在扩散长度内额外提供具有光电转换功能的第二pn结，即使第二pn结未暴露给光，电流也在第二pn结中流动，使得光电转换器出现故障。这导致了图像模糊以及包括光电转换器阵列的成像器件中相当劣化的分辨率，在该光电转换器阵列中，在第一半导体区域中布置作为pn结的光电转换元件。

现在，参考图1，使用光电二极管作为光电转换元件的示例，描述如何将作为光强度和波长分量的光学信息转换为用于输出的电信息。图1示出了作为具有阳极1002a的第一pn结的光电二极管1000a和操作为开关的场效应晶体管3000a，其中阳极1002与场效应晶体管3000a的源极或漏极连接。场效应晶体管3000a在累积时间期间关断光电二极管1000a的阳极1002a以将其置于浮置状态，以便于临时累积光电流在与光电转换元件(在此情况下，阳极-阴极电容)关联的电容中，并将其接通以输出已累积的电荷作为电流或电荷。

首先，接通场效应晶体管3000a以使得光电二极管1000a的一端(图中的阳极1002)位于Vref电势并且光电二极管1000a的阳极-阴极电容用Vdd-Vref电压充电。Vdd是电源电压并且Vref是读取基准电压。

接着，关断场效应晶体管3000a并用光照射光电转换元件。然后，在pn结处分别生成的光电流从光电二极管1000a的阳极1002a流入阳极-阴极电容Canc并将以Vdd-Vref充电的电容单独放电。由此，阴极电势向电源电压Vdd上升。因此，阳极-阴极电容实际上被光电流放电。然而，出于方便这里可以表达光电流存储为电荷。

借助长的关断时间或大光电流，光电二极管1000a的阳极1002a超出Vdd并达到正向电势。该正向电势继续上升并且当全部光电流流过光电二极管1000a的阳极和阴极之间时达到最大值。这被称为“被深度正向电压偏置”。在此状态，过量少数载流子存储在光电二极管1000a的半导体区域中，引起了切换光电二极管1000a到反向偏置方向中的延迟。

发明内容

本发明的目标是提供光电转换器，其防止具有光电转换功能的第一pn结被置于第一pn结被深度正向电压偏置的饱和状态中，同时控制在第一pn结处的反向电流不和在肖特基结处的电流一样大。另一目标是提供可以防止图像模糊并改进分辨率的相当劣化的光电转换器。

为了解决以上目标，在本发明中提供以下解决方案。

(解决方案1)

光电转换器包括具有光电转换功能并包括不同传导类型的至少两个半导体区域的第一pn结，以及包括第一源极、第一漏极、第一绝缘栅极的第一场效应晶体管，该第一源极与半导体区域之一连接，其中，当半导体区域中的任一个暴露给光时，光电流流到第一pn结中，其中，第一场效应晶体管包括与半导体区域之一的传导类型沟道相同的传导类型沟道，用第二电势供应第一场效应晶体管的第一漏极，在该第二电势，第一pn结相对于其他半导体区域的电势是0偏置或反向偏置，并通过向第一绝缘栅极供应当第一源极达到在其所述半导体区域之一变得相对于其他半导体区域0偏置或反向偏置的第一电势时使得第一场效应晶体管传导的第一栅极电势，光电转换器配置为即使两个半导体区域中的任一个暴露给光时，控制第一pn结的饱和不被深度正向电压偏置。

为了通过使得大多数(例如，90％或更多)光电流通过第一场效应晶体管的源极流到漏极来控制不同传导类型的两个半导体区域不被深度正向电压偏置，第一栅极电势需要在特定条件下预设。

(解决方案2)

根据解决方案1的光电转换器，其中

在第一栅极电势和其他半导体区域的电势之间的差的绝对值等于或大于第一场效应晶体管的栅极阈值电压的绝对值。

在本发明的光电转换器的光电元件是光晶体管的情况下，应用以下架构。

(解决方案3)

根据解决方案1的光电转换器，其中

第一pn结是第一双极晶体管的基极-集电极结；并

第一双极晶体管的基极与第一场效应晶体管的源极连接。

提供合并了用于选择光电转换器或从其读取已存储光电电荷或电信息的第二场效应晶体管的架构作为解决方案4、5和6。

(解决方案4)

根据解决方案1的光电转换器，进一步包括

包括第二源极、第二漏极和第二栅极的第二场效应晶体管，其中

该第二源极和第二漏极之一与半导体区域之一连接，并从第二源极和第二漏极的另一个获得关于在第二栅极上供应传导信号以使得第二场效应晶体管传导的电信息(电荷或电流)。

(解决方案5)

根据解决方案3的光电转换器，进一步包括

包括第二源极、第二漏极和第二栅极的第二场效应晶体管，其中

该第二源极和第二漏极之一与第一双极晶体管的射极连接，并从第二源极和第二漏极的另一个获得关于在第二栅极上供应传导信号以使得第二场效应晶体管传导的电信息(电荷或电流)。

(解决方案6)

根据解决方案3的光电转换器，进一步包括

包括第二源极、第二漏极和第二栅极的第二场效应晶体管；以及

单个或多个第二双极晶体管，其中

第一双极晶体管的射极与该单个或多个第二双极晶体管的基极连接；

该多个双极晶体管的基极和射极彼此连接；

未与基极连接的射极与第二源极和第二漏极之一连接，并从第二源极和第二漏极的另一个获得关于在第二栅极上供应传导信号以使得第二场效应晶体管传导的电信息(电荷或电流)。

如下示出用于解决方案1的光电转换器的结构的示例。

(解决方案7)

一种光电转换器，包括：

第一传导类型的第一半导体区域；

与该第一半导体区域接触的第二传导类型的第二半导体区域，该第二传导类型与该第一传导类型相反；

第二传导类型的第三半导体区域，与第一半导体区域接触并与第二半导体区域分隔地提供；

第一绝缘体膜，提供在第二和第三半导体区域之间的第一半导体区域的表面上；以及

第一栅极，提供在该第一绝缘体膜上以桥接第二和第三半导体区域，其中，当第二半导体区域或接近第二半导体区域的第一半导体区域的一部分暴露给光时，光电流在第一和第二半导体区域之间流动，其中

向第三半导体区域供应第二电势，在该第二电势处，第二半导体区域相对于第一半导体区域是0偏置或反向偏置，并当第二半导体区域转到在其第二半导体区域变得相对于第一半导体区域0偏置或反向偏置的第一电势时，光电转换器被配置为即使当第二半导体区域或接近第二半导体区域的第一半导体区域的一部分暴露给光时，通过向第一栅极供应第一栅极电势以根据第二半导体区域和第三半导体区域之间的第一栅极在第一半导体区域的表面上引起沟道或电流路径，控制第二半导体区域的饱和不被深度正向电压偏置。

为了减少在第一半导体区域和第二半导体区域之间的结的表面部分处的暗电流，提供以下架构。

(解决方案8)

根据解决方案7的光电转换器，进一步包括：

第一传导类型的第四半导体区域，被提供以覆盖第二半导体区域的上部并且与第一栅极自对准。通常，第四半导体区域与第一半导体区域连接。

在本发明的光电转换器中，提供了用于具有放大功能的光电转换元件的结构的示例。

(解决方案9)

根据解决方案7的光电转换器，进一步包括：

第一传导类型的第五半导体区域，与第二半导体区域接触，以使得已经流过第二半导体区域的电流通过第一或第五半导体区域被放大。

本光电转换器的阵列结构和本光电转换器的成像装置的示例如下提供。

(解决方案10)

一种光电转换器阵列，包括：

根据解决方案4、5、6中的一个的多个光电转换器，在彼此交叉的第一和第二方向上布置；

在第一方向上延伸的多个第一互连；

在第二方向上延伸的多个第二互连；

第三互连，用以供应第一栅极电势；以及

第四互连，用以供应第二电势，其中

第一到第四互连互相绝缘；并且

第一方向上布置的多个光电转换器的第二场效应晶体管的第二栅极与在第一方向上延伸的第一互连之一连接；并且

第二方向上布置的多个光电转换器的第二场效应晶体管的第二源极和第二漏极中的其它与在第二方向上延伸的第二互连之一连接。

(解决方案11)

根据解决方案10的光电转换器阵列，其中

布置第一漏极以在相邻光电转换器中具有公共部分。

(解决方案12)

一种成像器件，包括：

根据解决方案10的光电转换器阵列；

扫描第一互连的驱动电路；

与第二互连之一连接的多个电流或电荷感测电路；

用于电势设置的多个第三场效应晶体管，每个在第三场效应晶体管之一的源极和漏极之一处与第二互连之一连接；

与第三场效应晶体管的源极和漏极中的其它连接的基准电势供应器；

与第三互连连接的第一栅极电势供应器；以及

与第四互连连接的第二栅极电势供应器，其中

电流或电荷感测电路是差分类型，每个具有与第二互连之一连接的第一输入端子和被供应基准电势的第二输入端子。

(解决方案13)

根据解决方案12的成像器件，其中

第三场效应晶体管被配置为在感测电路完成感测之后并且在第二场效应晶体管被关断之前向第二互连供应基准电势。

附图说明

参考附图，本发明的特征、实施例和优势将根据以下详细描述而显而易见：

图1示出了具有开关的现有技术光电二极管；

图2是包括具有根据本发明的一个实施例的第一场效应晶体管的光电二极管的示例性电路图；

图3是描述用于饱和控制的第一场效应晶体管的操作的图；

图4是以示例方式排除了第二场效应晶体管的图2中的电路的截面图；

图5A是图4中电路的平面图，该电路包括根据本发明一个实施例的第四半导体区域，并图5B是该电路的截面图；

图6是根据本发明的光电转换器应用到光电晶体管的等效电路图；

图7是排除了第二场效应晶体管的图6中电路的截面图；

图8示出了根据本发明的一个实施例的光电转换器以阵列布置的单元结构的示例；

图9是图8中单元的等效电路图；并且

图10示出了根据本发明的一个实施例的光电转换器阵列应用于的成像器件的示例。

具体实施方式

以下，将参考附图详细描述本发明的实施例。只要合适，将贯穿附图使用相同的附图标记指代相同或类似部件。

第一实施例

图2是包括第一和第二场效应晶体管3010、3000以及光电二极管1000作为根据第一实施例的第一pn结的电路图。在图2中，光电二极管1000在阳极1002处与第二场效应晶体管3000的漏极和源极之一以及与第一场效应晶体管3010的第一源极3012连接。第一场效应晶体管3010是饱和控制晶体管而第二场效应晶体管3000是开关晶体管(switchingtransistor)。在本实施例中，第一场效应晶体管3010是p沟道型的并包括第一源极3012、第一漏极3011和第一栅极3013。

在图中，阴极电势Vdd比读取基准电势Vref更正。第一场效应晶体管的第一栅极3013被供应了第一栅极电势Vg1，其第一漏极3011被供应以等于阴极电势Vdd或比Vdd更接近Vref的电势Vsink。即，Vsink是反向偏置或0偏置第一pn结的第二电势。第一栅极电势Vg1等于Vdd+Vth或比此更负。因此，当第一pn结的阳极达到在其第一pn结变得反向偏置或0偏置的第一电势时，第一场效应晶体管变成传导。在本实施例中，第一电势是Vg1-Vth，且当第一场效应晶体管是如[0034]中是p沟道型和增强型时Vth是负值。另一方面，当阴极1001与第一场效应晶体管连接时，光电二极管1000的阴极1001还与第二场效应晶体管的源极和漏极中的一个连接。阳极电势Van比Vref更负且当第一场效应晶体管是n沟道型且是增强型时Vth是正值。

首先，第二场效应晶体管3000接通以使得光电二极管1000的阴极1002转到读取基准电势Vref，并将其关断。在此状态下，电容(主要是结电容)Canc以Vdd-Vref充电。光电二极管的阳极和接地之间的电容Canst以基准电势Vref充电。

接着，电容Canc被放电并且电容Canst通过来自暴露给光的光电二极管1000的光电流iph进一步充电，而阳极电势Van从Vref增加到Vdd。在存储时间tstr之后，再次接通第二场效应晶体管3000以能够从未与光电二极管1000连接的源极和漏极的另一个输出电荷(Canc+Canst)*(Van-Vref)。在开关时间ton期间，平均电流iout＝(Canc+Canst)*(Van-Vref)/ton平均地输出。电荷(Canc+Canst)*(Van-Vref)称为已存储光电荷以将其与过量少数载流子的已存储电荷区分。

在长存储时间tstr中或以大光电流iph，阳极电势Van超出阴极电势Vdd以使得阳极相对于阴极正向偏置并且光电流iph部分开始流入光电二极管。当全部光电流iph流入光电二极管时，光电二极管的电压停止变化。该电压称为“深度正向电压”。将其称为太阳能电池中的开路电压。

过量少数载流子存储在光电二极管的半导体区域中并且载流子的量与流入光电二极管的正向电流近似成比例。为了抽出过量少数载流子，接通第二场效应晶体管。然而，从第二场效应晶体管的接通到光电二极管的被反向偏置或阳极电势Van达到阴极电势Vdd或更低，时间延迟出现。尽管优选减少过量载流子到0，但是将到光电二极管的正向电流减少到大约光电流iph的十分之一或更少就足够有效。即，在正向偏置的光电二极管中，正向电压必须被控制为比深度正向电压小大约60mV或更多。最优选地，控制光电二极管的阳极-阴极电压从0到反向偏置电压。

接着，描述用于饱和控制的第一场效应晶体管3010。为了简单，第一栅极电势Vg1被设置到阴极电势Vdd+栅极阈值电压Vth。栅极阈值电压Vth典型为负并从Vdd以|Vth|更接近Vref。光电二极管1000的阳极1002由光电流放电，以使得电势Van从Vref变化到Vdd。这由于阳极1002和第一源极3012的连接而接通第一场效应晶体管3010以开始将光电流从源极3012旁路到漏极3011。因此，防止阳极电势Van超出正阴极电势Vdd。换言之，从Van减去Vdd计算出的光电二极管1000的阳极-阴极电压将不再被深度正向电压深度偏置。

第一场效应晶体管的栅极阈值电压Vth被定义为栅极-源极电压，其使得在源极和栅极之间流动1μA的饱和电流。在白天环境光下，在具有50μm²或更少的光接收面积的光电二极管中，阳极-阴极电压被钳位在大约0V。如图3所示，当阳极电势Van从Vref接近Vg1-Vth并例如在Vg1-Vth的阳极电势Van处达到1μA的Ith时，被第一场效应晶体管旁路的电流Isink指数地增加。因为第一场效应晶体管的关断电流值Ioff可以指定为在pA级别，所以增加到光电二极管的等效暗电流的电流量小于当光电二极管与肖特基二极管并联时的电流量。当阳极电势Van从Vg1-Vth-(0.4到0.5V)改变到Vg1-Vth时，电流Isink从Ioff增加到Ith。Van的变化范围(0.4-0.5V)以s*log(Ith/Ioff)给出，其中s是作为所谓的子阈值斜率的器件参数。

为了保持阳极-阴极电压在反向偏置范围中，第一栅极电势Vg1必须设置为比Vdd+Vth更接近Vref。此外，为了控制在仲夏的直接日光之下在具有比50μm²更大的光接收面积的光电二极管1000的光电流iph的饱和，除了第一栅极电势Vg1如上设置之外，第一场效应晶体管3010的沟道宽度还设置为足以让光电流经过的宽度W。即，在大于Ith的光电流iph处，宽度W由以下表达式确定：

W＝(iph-Ith)*2L/μCox(Vg1-Vdd-Vth)²)

其中，Vg1<Vdd+Vth，L是沟道长度，Cox是栅极绝缘膜的每单位区域的电容。

图4示出了图2中光电转换器的光电二极管1000和第一场效应晶体管3010的最简单示例的横截面。光电转换器包括第一传导类型的第一半导体区域101、与第一传导类型相反的第二传导类型的第二半导体区域102。第一和第二半导体区域101，102的结平面形成第一pn结。光电二极管1000由第二半导体区域102和在少数载流子的扩散长度内与该第二半导体区域相邻的第一半导体区域101的一部分形成。

还包括第二传导类型的第三半导体区域，其与第二半导体区域102分隔地被提供为第一场效应晶体管3010的第一漏极。提供第一场效应晶体管的第一绝缘体膜314，以接触第二和第三半导体区域102、103的一部分以及它们之间的半导体区域101的表面。形成其第一栅极以接触第一栅极绝缘膜以使得桥接第二和第三半导体区域。在本实施例中，第一场效应晶体管的第一源极与光电二极管1000共享第二半导体区域102。在第二和第三半导体区域之间的第一半导体区域的表面中，其沟道由第一栅极的电场引起或消失。

第一半导体区域可以是半导体基底或在半导体基底或绝缘基底上电分离的区域。

为了施加和图2的偏置一样的偏置，向第一半导体区域101供应电势Vdd，向第三半导体区域103供应作为Vdd+Vth或更少(例如，基准电压Vref或0V)的电势Vsink，并且向第一栅极313供应Vg1。

图5A、5B分别是与第二半导体区域接触的第一传导类型的第四半导体区域104以及以图4中的结构额外布置的第二场效应晶体管3000的平面图和截面图。图5B是图5A中从1到1’线看到的横截面。第二传导类型的第五半导体区域301与第一半导体区域接触并与第二半导体区域分隔地提供，并且是第二场效应晶体管3000的第二漏极。提供第二场效应晶体管3000的第二栅极绝缘膜304以接触第二和第五半导体区域的一部分以及它们之间的第一半导体区域的表面。提供第二场效应晶体管的第二栅极303以接触第二栅极绝缘膜304并且桥接第二和第五半导体区域。在本实施例中，其源极与光电二极管1000共享第二半导体区域。在第二和第五半导体区域之间的第一半导体区域的表面上，其沟道由第二栅极303的电场引起或消失。

在图5A、5B中，第四半导体区域104可以从第二半导体区域延伸到第一半导体区域。它可以经由绝缘膜在第二半导体区域的两端与第一和第二栅极313、303自对准。第四半导体区域可以减少并稳定暗电流。此外，可以增加光电二极管1000的阳极-阴极电容Canc并增加已存储光电荷的上限。

此外，以基准电势Vref供应作为第二场效应晶体管3000的第二漏极的第五半导体区域，并且以Vdd供应第二栅极303(电势Vg0)以关断晶体管3000并且以比Vref+Vth更负的电势供应第二栅极303以接通晶体管3000(如果晶体管3000是p沟道)。在开关时间期间，已存储光电荷可以作为电荷或电流从第二场效应晶体管3000的第二漏极301和光电二极管1000的阴极101读取。

对第一和第二场效应晶体管3010、3000可以使用单一场效应晶体管。排除了第二场效应晶体管3000的图2中的电路的截面图与图4中的电路完全相同。为了首先以Vdd-Vref向光电二极管1000的阳极-阴极电容Canc充电，向第一漏极311供应电势Vref，并且向第一场效应晶体管的第一栅极313供应比Vref+Vth更负的电势。接着，在光电荷存储阶段，第一漏极311的电势不需要被改变，并且向第一栅极供应电势Vg1(≤Vdd+Vth)。为了读取已存储光电荷或读取它们作为电流，再次向第一栅极313供应比Vref+Vth更负的电势。可以从光电二极管1000的第一漏极311或阴极101读取光电转换器的电荷或电流。

第二实施例

图6示出了作为光电晶体管1010的基极-集电极而施加的第一pn结的示例。第一场效应晶体管的源极3012与光电晶体管1010的基极1012连接，以控制基极-集电极结的饱和。当以Vdd+Vth或更少的第二电势Vsink(诸如Vref或0V)供应第一漏极3011的同时，以电势Vg1供应第一栅极。以Vdd供应光电晶体管的集电极1011。这里，第一电势是Vg1-Vth而Vg1设置为等于集电极电势(Vdd)或比集电极电势更负(当使用npn晶体管时，而当使用pnp晶体管时，等于或更正)。射极1013连接到第二场效应晶体管3000的源极或漏极而Vref供应到源极和漏极中的另一个。

首先，接通第二场效应晶体管3000以设置光电晶体管1010的射极来具有读取基准电势Vref，并且关断它。现在，光电晶体管1010的基极和集电极之间的电容Cbc(主要是结电容)用Vdd-Vref-Vbe充电。光电晶体管1010的基极和射极之间的电容Cbe用Vbe充电，而基极和接地之间的电容Cbst。用Vref+Vbe充电。当光电流从基极流入射极时，Vbe是基极和射极之间的正向电压。光电流在集电极或基极暴露给光时生成，并从光电二极管1010的射极和集电极放大并输出。

然后，电容Cbc被放电而电容Cbst被来自暴露给光的光电晶体管1010的基极1012的光电流iph进一步充电，以将基极电势Vb从Vref+Vbe增加到Vdd。在存储时间tstr之后，第二场效应晶体管3000再次被接通，以能够从其漏极和源极中的另一个读取放大后的电荷＝(h_FE+1)(Cbc+Cbst)*(Vb-Vref-Vbe)，其中h_FE是光电晶体管1010的放大因子。在开关时间t_on期间，读取平均放大电流iout＝(h_FE+1)(Cbc+Cbst)*(Vb-Vref-Vbe)/t_on。(Cbc+Cbst)*(Vb-Vref-Vbe)称为已存储光电荷并且与过量少数载流子的已存储电荷区分。注意，光电晶体管1010的基极和射极之间的电容Cbe保持在电压Vbe，以使得不考虑读出。

pn结的饱和可以通过将第一电势Vg1供应到第一栅极3013并将第二电势Vsink供应到第一漏极而控制，如同在光电二极管的情况中那样。

接着，图7是图6中光电转换器的光电晶体管1010以及第一场效应晶体管3010的截面图。第一传导类型的第一半导体区域101的一部分用作光电晶体管1010的集电极。第二传导类型的第二半导体区域102与第一半导体区域101接触地提供，并且用作光电晶体管1010的基极。第一传导类型的第六半导体区域103与第二半导体区域接触地提供，并且用作光电晶体管1010的射极。第一pn结由第一和第二半导体区域101、102之间的结平面形成。当第二半导体区域102和与之接近的第一半导体区域的一部分(少数载流子的扩展长度内)暴露给光时光电流iph被生成，并且从作为基极的第二半导体区域102被获取。

第一传导类型的第四半导体区域104在第二半导体区域102的表面中与第一栅极自对准。它在第二半导体区域102接触第一半导体区域101的表面中延伸到第一半导体区域101。第四半导体区域104与第六半导体区域103分离。为了防止漏电流路径并维持第一和第六半导体区域104、103之间的恒定电流放大因子，可以与它们之间的第二半导体区域的表面接触地提供第二传导类型的第七半导体区域107。第七半导体区域107拥有比第二半导体区域更高的杂质浓度。

第二传导类型的第三半导体区域311与第二半导体区域102分隔地提供并是第一场效应晶体管3010的第一漏极。提供其第一栅极绝缘膜314以接触第二和第三半导体区域的一部分以及它们之间的第一半导体区域的表面。提供其第一栅极313以接触第一栅极绝缘膜，从而桥接第二和第三半导体区域。本实施例中，第一源极与光电晶体管共享了第二半导体区域102。其沟道由第二和第三半导体区域之间的第一半导体区域的表面中的第一栅极的电场引起或消失。第一半导体区域可以是半导体基底或半导体基底或绝缘基底上的电隔离区域。

根据本实施例的技术可应用于不包括第二场效应晶体管3000的光电晶体管。排除了第二场效应晶体管3000的图6中电路的截面图与图7的截面图完全相同。为了首先用Vdd-Vref-Vbe充电光电二极管1010的基极-集电极电容Cbc并用Vref充电电容Cbst，向集电极1011供应电势Vdd并向射极1013供应Vref。接着，为了在电容Cbc、Cbst中累积光电荷，射极1013被切换到Vdd或更高的电势。基极-射极结被反向偏置并且该基极被置于浮置状态以使得电容Cbc被放电并且电容Cbst被从基极流动的光电流充电。因此，通过向第一场效应晶体管的第一漏极311供应电势Vsink并且向第一栅极供应电势Vg1(≤Vdd+Vth)，可以控制饱和。

为了再次读取已存储光电荷，将射极1013的电势返回到Vref。从射极1013或集电极1011可以读取电荷或转换后的电流。感测放大器的切换连接或激活对于从集电极1011读取电荷或电流不是必要的。

以上，描述了作为p沟道的场效应晶体管的电势和极性的幅度关系。对于n沟道场效应晶体管，它们将相反。

图8示出了其中作为一个组的4个单位单元C1、C2、C3、C4被垂直和水平布置的沟道转换器阵列的示例。通过与相邻单元共享进行饱和-控制第一场效应晶体管3010的第一漏极311的互连M2311以及第一栅极313的互连M1313，可以构建面积有效的阵列。尽管互连M2311和M1313在图中彼此交叉，但是阵列是双层互连结构并两个互连通过绝缘膜而彼此绝缘，以使得它们将永不电短路。

图8中的阵列除了每个单元中的光电晶体管之外还包括第二双极晶体管2010用于放大。作为光电晶体管1010的射极的第五半导体区域103经由第二传导类型的半导体区域217连接到作为第二双极晶体管2010的基极的第二传导类型的半导体区域212。作为第二双极晶体管2010的射极的第一传导类型的半导体区域213连接到第二场效应晶体管的源极和漏极中的一个302.在图9中示出图8中单个单元的等效电路图。

图10示出了合并根据本发明的一个实施例的光电转换器阵列的成像器件的结构的示例。成像器件包括如上的光电转换器阵列；每个连接到在水平或X方向上布置的光电转换器的第二场效应晶体管的第二栅极303的多个第一互连M1303-1、M1303-2、…、M1303-n；用以扫描第一互连的Y驱动电路；每个连接到在垂直或Y方向上布置的光电转换器的第二场效应晶体管的源极和漏极中的其它301的作为输入线的多个第二互连M2303-1、M2303-2、…、M2303-m；具有连接到第二互连的第一输入端子的电流或电荷感测电路9020；以及用于设置基准电势的第三场效应晶体管3090-1、3090-2、…3090-m。电流或电荷感测电路9020是包括用于基准电势的第二输入端子922的差分输入类型。利用单一电流或电荷感测电路，扫描场效应晶体管连接到输出线顺序切换输出线中的一个到单一电流或电荷感测电路。

向(多个)感测电路9020的第二输入端子922供应来自基准电势供应器6001的基准电势Vref。第三场效应晶体管3090-1、3090-2、…3090-m的每一个的源极和漏极中的一个连接到第二互连并且向其另一个供应来自基准电势供应器6001的基准电势Vref。感测电路的输出通过串行-并行转换器电路9030被转换为串行信号。

当全部第二场效应晶体管截止时，在感测到需要时之后通过第三场效应晶体管3090以基准电势Vref充电输出线。通过芯片内或来自芯片外的电势生成器电路向用于饱和控制的第一场效应晶体管3010的栅极的第三互连M2313供应等于Vdd+Vth或比Vdd+Vth更负的第一栅极电势Vg1。向用于饱和控制的第一场效应晶体管3010的漏极311的第四互连M2311供应第二电势Vsink。

根据以上实施例的光电转换器可以在光电转换元件中减少过量少数载流子的存储，以能够降低切换延迟并改善读取速度。此外，在光电转换器阵列中，可以防止来自相邻单元的光电流的泄露。这导致防止了图像模糊以及合并该光电转换器阵列的成像器件的分辨率中的等效劣化。

本发明可以使用光电转换拓宽传感器、办公设备其以及科学仪器的应用领域，并减轻部分在大光强度和亮度的环境条件下使用的高灵敏度光电转换器或成像器件的切换延迟或图像模糊。

尽管本发明已经关于示例性实施例描述，但是其不限于此。应当理解，本领域技术人员可以在不背离由以下权利要求定义的本发明的范围的情况下在所述实施例中做出变型和修改。

Claims (10)

1.一种光电转换器，包括：

第一pn结，具有光电转换功能并包括不同传导类型的至少两个半导体区域；以及

第一场效应晶体管，包括第一源极、第一漏极、第一绝缘栅极，所述第一源极与所述半导体区域之一连接，其中，当所述半导体区域的任一个暴露给光时，光电流流入所述第一pn结中，其中：

所述第一场效应晶体管包括与半导体区域之一的传导类型沟道相同的传导类型沟道；

用第二电势供应所述第一场效应晶体管的第一漏极，在该第二电势，所述第一pn结相对于其他所述半导体区域的电势是0偏置或反向偏置；以及

通过总是向所述第一绝缘栅极供应当所述第一源极达到在其所述半导体区域之一变得相对于其他所述半导体区域0偏置或反向偏置的第一电势时使得所述第一场效应晶体管传导的第一栅极电势，所述光电转换器配置为即使两个所述半导体区域中的任一个暴露给光时，控制所述第一pn结的饱和不被深度正向电压偏置。

2.根据权利要求1的光电转换器，其中

在所述第一栅极电势和其他所述半导体区域的电势之间的差的绝对值等于或大于所述第一场效应晶体管的栅极阈值电压的绝对值。

3.根据权利要求1的光电转换器，其中

所述第一pn结是第一双极晶体管的基极-集电极结；并且

所述第一双极晶体管的基极与所述第一场效应晶体管的源极连接。

4.根据权利要求1的光电转换器，进一步包括

第二场效应晶体管，包括第二源极、第二漏极和第二栅极，其中

所述第二源极和第二漏极之一与所述pn结的阳极连接，并从所述第二源极和所述第二漏极中的另一个获得关于在所述第二栅极上供应传导信号以使得所述第二场效应晶体管传导的电信息。

5.根据权利要求3的光电转换器，进一步包括

第二场效应晶体管，包括第二源极、第二漏极和第二栅极，其中

所述第二源极和所述第二漏极之一与所述第一双极晶体管的射极连接，并从所述第二源极和所述第二漏极中的另一个获得关于在所述第二栅极上供应传导信号以使得所述第二场效应晶体管传导的电信息。

6.根据权利要求3的光电转换器，进一步包括

第二场效应晶体管，包括第二源极、第二漏极和第二栅极；以及

单个或多个第二双极晶体管，其中

所述第一双极晶体管的射极与所述单个或多个第二双极晶体管的基极连接；

多个双极晶体管的基极和射极彼此连接；

未与所述基极连接的射极与所述第二源极和所述第二漏极之一连接，并从所述第二源极和所述第二漏极中的另一个获得关于在所述第二栅极上供应传导信号以使得所述第二场效应晶体管传导的电信息。

7.一种光电转换器阵列，包括：

根据权利要求4的多个光电转换器，在彼此交叉的第一和第二方向上布置；

在第一方向上延伸的多个第一互连；

在第二方向上延伸的多个第二互连；

第三互连，用以供应第一栅极电势；以及

第四互连，用以供应第二电势，其中

第一到第四互连互相绝缘；并且

第二场效应晶体管的第二栅极与在第一方向上延伸的第一互连之一连接；并且

第二场效应晶体管的第二源极和第二漏极中的另一个与在第二方向上延伸的第二互连之一连接。

8.根据权利要求7的光电转换器阵列，其中

布置所述第二漏极以在相邻光电转换器中具有公共部分。

9.一种成像器件，包括：

根据权利要求7的光电转换器阵列；

驱动电路，用以扫描第一互连；

电流或电荷感测电路，与第二互连连接；

用于电势设置的第三场效应晶体管，在源极和漏极之一处与第二互连连接；

基准电势供应器，与第三场效应晶体管的源极和漏极中的另一个连接；

第一栅极电势供应器，与第三互连连接；以及

第二栅极电势供应器，与第四互连连接，其中

所述电流或电荷感测电路是差分类型，具有与第二互连连接的第一输入端子和第二输入端子，并在第二输入端子处被供应基准电势。

10.根据权利要求9的成像器件，其中

第三场效应晶体管被配置为在感测电路完成感测之后并且在第二场效应晶体管被关断之前向第二互连供应基准电势。