CN106686328A - 硅工艺量子点像素单元电路、传感器及信号采集方法 - Google Patents

硅工艺量子点像素单元电路、传感器及信号采集方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种硅工艺量子点像素单元电路、传感器及信号采集方法。该像素单元电路至少包括信号读出电路单元、量子点光敏电阻以及与之并联的MOS电容。信号读出电路单元包括一个电平复位管、一个信号传输管、一个源跟随器、一个行选控制输出管共4个MOSFET组成。量子点光敏电阻的一端提供参考电平，另一端与作为信号传输MOSFET的电平复位管的源极相连。入射光线强弱将会改变量子点光敏电阻的大小，从而改变流经量子点光敏电阻的电流。信号读出电路在曝光时间内将量子点光敏电阻电流进行积分得到光生电压，从而可以通过光生电压的数值精确反映入射光线的强弱。

Description

硅工艺量子点像素单元电路、传感器及信号采集方法
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种硅工艺量子点像素单元电路、传感器及信号采集方法。
背景技术
图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置，其可以基于电荷耦合器件(CCD)技术、互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感技术或基于量子点的光电探测技术进行制备得到。
量子点是纳米尺寸的半导体晶粒，它具有禁带宽度随尺寸可调的的特性，其光吸收特性也是随之可调。通过选择合适的量子点材料和尺寸，可以采用溶液法制备对可见光或红外高灵敏度的量子点膜，工艺简单。量子点制备的光电探测器具有灵敏度高，波段易调制、工艺简单成本低等优势，市场前景广阔。同硅基的CMOS图像传感器比较，对于短波红外的检测，量子点具有成本低和性能优良的特点。
为了在硅片上实现光电集成，在过去的几十年，人们开展了大量硅基发光材料和器件的研究工作，如在硅衬底上集成III-V族发光材料，或者制作多孔硅等。然而，硅衬底上集成发光材料的重要因素是晶格匹配问题以及发光调制问题，而利用量子点则不需要考虑晶格匹配并且发光波长可通过粒径调控，如果能够在硅基上制作出量子点光敏电阻，并且结合业已成熟的CMOS图像传感技术，将能够制造价格更为低廉，感光波段更为宽广，灵敏度更高的硅基图像传感器。
发明内容
为了克服以上问题，本发明旨在提供一种硅工艺量子点像素单元电路、传感器及信号采集方法，从而能够将可见光和红外光转换为电学信号。
为了达到上述目的，本发明提供了一种硅工艺量子点像素单元电路至少包括：信号读取电路单元、量子点光敏电阻以及与量子点光敏电阻并联的MOS电容(M5)；信号读取电路单元包括：复位开关管(M1)、传输管(M2)、源跟随器(M3)和行选开关管(M4)；其中，
量子点光敏电阻的一端接参考电平(Vqd)，另一端与复位开关管(M1)的源极相连接；
MOS电容(M5)的栅极与复位开关管(M1)的源极相连，MOS电容(M5)的漏极和源极均与参考电平(Vqd)相连，MOS电容(M5)的体电容接地；
复位开关管(M1)的漏极接复位电压(Vreset)，复位开关管(M1)的栅极接像素输入端(RX)，复位开关管(M1)的源极与传输管(M2)的源极相连接于一节点(FD)；传输管(M2)的漏极与量子点光敏电阻的所述另一端相连接，传输管(M2)的栅极与像素单元输入端(TG)相连接；源跟随器(M3)的漏极接电源(VDD)，源跟随器(M3)的栅极与节点(FD)相连，源跟随器(M3)的源极与行选开关管(M4)的漏极相连；行选开关管(M4)的栅极接行选输入端(RS)，行选开关管(M4)的源极作为整个像素单元的输出端；
其中，曝光时，信号读取电路单元在曝光时间内将量子点光敏电阻流出的电流进行积分得到光生电压，当入射到量子点光敏电阻上的光线的强弱发生改变时导致量子点光敏电阻的阻值发生改变，从而改变流经量子点光敏电阻的电流，并且最终导致光生电压的数值发生改变。
优选地，所述量子点光敏电阻包括可见光敏感量子点和红外光敏感量子点。
优选地，行选开关管(M4)的源极作为整个像素单元的输出端时输出直流电流。
为了达到上述目的，本发明还提供了一种图像传感器，采用上述的硅工艺量子点像素单元电路。
为了达到上述目的，本发明还提供了一种采用上述的硅工艺量子点像素单元电路所进行的信号采集方法，包括以下步骤：
步骤01：将像素输入端(RX)和像素单元输入端(TG)置为高电平，复位开关管(M1)和传输管(M2)均开启；将行选输入端(RS)置为低电平，行选开关管(M4)关断，此时，MOS电容(M5)和量子点光敏电阻复位；
步骤02：将像素单元输入端(TG)置为低电平，传输管(M2)关断；将像素输入端(RX)置为高电平，复位开关管(M1)开启；将行选输入端(RS)置为低电平，行选开关管(M4)关断，此时，像素单元开始曝光并且对量子点光敏电阻流出的电流开始积分；
步骤03：将行选输入端(RS)和像素单元输入端(TG)置为低电平，传输管(M2)和行选开关管(M4)关断；将像素输入端(RX)置为低电平，复位开关管(M1)关断，此时节点(FD)处于复位电平(Vreset)状态；
步骤04：将像素单元输入端(TG)置为低电平，传输管(M2)关断；将像素输入端(RX)置为低电平，复位开关管(M1)关断；将行选输入端(RS)置为高电平，行选开关管(M4)开启，此时，节点(FD)通过源跟随器(M3)向外输出电压信号，对像素单元进行第一次采样，从而得到复位电平采样结果；
步骤05：将像素单元输入端(TG)置为平，传输管(M2)开启；将像素输入端(RX)置为低电平，复位开关管(M1)关断；将行选输入端(RS)置为低电平，行选开关管(M4)关断，此时，积分时间结束，在该积分时间内，量子点光敏电阻的光生电流通过积分获得了光生电压，并且通过所开启的传输管(M2)传递给了节点(FD)，从而使得节点(FD)处于信号电平状态；
步骤06：将像素单元输入端(TG)置为低电平，传输管(M2)关断；将像素输入端(RX)置为低电平，复位开关管(M1)关断；将行选输入端(RS)置为高电平，行选开关管(M4)开启，此时，节点(FD)通过源跟随器(M3)向外输出电压信号，对像素单元进行第二次采样，从而得到信号电平采样结果；
步骤07：将像素单元输入端(TG)置为低电平，传输管(M2)关断；将像素输入端(RX)置为低电平，复位开关管(M1)关断；将行选输入端(RS)置为低电平，行选开关管(M4)关断，结束采样，将像素单元置于高阻状态。
优选地，所述量子点光敏电阻包括可见光敏感量子点和红外光敏感量子点。
优选地，行选开关管(M4)的源极作为整个像素单元的输出端时输出直流电流。
本发明的硅工艺量子点像素单元电路，采用硅工艺量子点光敏电阻作为感光元件，利用量子点光敏电阻来实现将光信号转换为电信号，同时相比于传统的CMOS 4T像素单元电路，本发明利用了量子点光敏电阻的感光范围更宽，对感光范围的调控更加方便灵活。
附图说明
图1为本发明的一个较佳实施例的像素单元电路示意图
图2为本发明的一个较佳实施例的对像素单元电路进行信号采集时序示意图
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
以下结合附图1-2和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。
请参阅图1，本实施例的硅工艺量子点像素单元电路，至少包括：信号读取电路单元、量子点光敏电阻以及与量子点光敏电阻并联的MOS电容M5；这里，量子点光敏电阻可以包括可见光敏感量子点和红外光敏感量子点。信号读取电路单元为4T电路结构，其可以包括：复位开关管M1、传输管M2、源跟随器M3和行选开关管M4。
量子点光敏电阻的一端接参考电平Vqd，另一端与复位开关管M1的源极相连接；
MOS电容M5的栅极与复位开关管M1的源极相连，MOS电容M5的漏极和源极均与参考电平Vqd相连，MOS电容M5的体电容接地；
复位开关管M1的漏极接复位电压Vreset，复位开关管M1的栅极接像素输入端RX，复位开关管M1的源极与传输管M2的源极相连接于一节点FD；传输管M2的漏极与量子点光敏电阻的所述另一端相连接，传输管M2的栅极与像素单元输入端TG相连接；源跟随器M3的漏极接电源VDD，源跟随器M3的栅极与节点FD相连，源跟随器M3的源极与行选开关管M4的漏极相连；行选开关管M4的栅极接行选输入端RS，行选开关管M4的源极作为整个像素单元的输出端；这里，行选开关管M4的源极作为整个像素单元的输出端时输出直流电流。
本实施例中，曝光时，信号读取电路单元在曝光时间内将量子点光敏电阻流出的电流进行积分得到光生电压，当入射到量子点光敏电阻上的光线的强弱发生改变时导致量子点光敏电阻的阻值发生改变，从而改变流经量子点光敏电阻的电流，并且最终导致光生电压的数值发生改变。
此外，本实施例中还提供了一种图像传感器，该图像传感器采用本实施例上述的硅工艺量子点像素单元电路。
本实施例中还提供了一种采用上述的硅工艺量子点像素单元电路所进行的信号采集方法，如图2所示，为本实施例的采用上述的像素单元电路进行信号采集时序示意图，图2中，Exp time表示曝光时间，本实施例的信号采集方法包括以下步骤：
步骤01：将像素输入端RX和像素单元输入端TG置为高电平，复位开关管M1和传输管M2均开启；将行选输入端RS置为低电平，行选开关管M4关断，此时，MOS电容M5和量子点光敏电阻复位；
步骤02：将像素单元输入端TG置为低电平，传输管M2关断；将像素输入端RX置为高电平，复位开关管M1开启；将行选输入端RS置为低电平，行选开关管M4关断，此时，像素单元开始曝光并且对量子点光敏电阻流出的电流开始积分；
步骤03：将行选输入端RS和像素单元输入端TG置为低电平，传输管M2和行选开关管M4关断；将像素输入端RX置为低电平，复位开关管M1关断，此时节点FD处于复位电平Vreset状态；
步骤04：将像素单元输入端TG置为低电平，传输管M2关断；将像素输入端RX置为低电平，复位开关管M1关断；将行选输入端RS置为高电平，行选开关管M4开启，此时，节点FD通过源跟随器M3向外输出电压信号，对像素单元进行第一次采样C1，从而得到复位电平采样结果；
步骤05：将像素单元输入端TG置为平，传输管M2开启；将像素输入端RX置为低电平，复位开关管M1关断；将行选输入端RS置为低电平，行选开关管M4关断，此时，积分时间结束，在该积分时间内，量子点光敏电阻的光生电流通过积分获得了光生电压，并且通过所开启的传输管M2传递给了节点FD，从而使得节点FD处于信号电平状态；
步骤06：将像素单元输入端TG置为低电平，传输管M2关断；将像素输入端RX置为低电平，复位开关管M1关断；将行选输入端RS置为高电平，行选开关管M4开启，此时，节点FD通过源跟随器M3向外输出电压信号，对像素单元进行第二次采样C2，从而得到信号电平采样结果；
步骤07：将像素单元输入端TG置为低电平，传输管M2关断；将像素输入端RX置为低电平，复位开关管M1关断；将行选输入端RS置为低电平，行选开关管M4关断，结束采样，将像素单元置于高阻状态。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书为准。

Claims (7)

1.一种硅工艺量子点像素单元电路，其特征在于，至少包括：信号读取电路单元、量子点光敏电阻以及与量子点光敏电阻并联的MOS电容(M5)；信号读取电路单元包括：复位开关管(M1)、传输管(M2)、源跟随器(M3)和行选开关管(M4)；其中，
量子点光敏电阻的一端接参考电平(Vqd)，另一端与复位开关管(M1)的源极相连接；
MOS电容(M5)的栅极与复位开关管(M1)的源极相连，MOS电容(M5)的漏极和源极均与参考电平(Vqd)相连，MOS电容(M5)的体电容接地；
复位开关管(M1)的漏极接复位电压(Vreset)，复位开关管(M1)的栅极接像素输入端(RX)，复位开关管(M1)的源极与传输管(M2)的源极相连接于一节点(FD)；传输管(M2)的漏极与量子点光敏电阻的所述另一端相连接，传输管(M2)的栅极与像素单元输入端(TG)相连接；源跟随器(M3)的漏极接电源(VDD)，源跟随器(M3)的栅极与节点(FD)相连，源跟随器(M3)的源极与行选开关管(M4)的漏极相连；行选开关管(M4)的栅极接行选输入端(RS)，行选开关管(M4)的源极作为整个像素单元的输出端；
其中，曝光时，信号读取电路单元在曝光时间内将量子点光敏电阻流出的电流进行积分得到光生电压，当入射到量子点光敏电阻上的光线的强弱发生改变时导致量子点光敏电阻的阻值发生改变，从而改变流经量子点光敏电阻的电流，并且最终导致光生电压的数值发生改变。
2.根据权利要求1所述的硅工艺量子点像素单元电路，其特征在于，所述量子点光敏电阻包括可见光敏感量子点和红外光敏感量子点。
3.根据权利要求1所述的硅工艺量子点像素单元电路，其特征在于，行选开关管(M4)的源极作为整个像素单元的输出端，输出直流电流。
4.一种图像传感器，其特征在于，采用权利要求1-3任一项所述的硅工艺量子点像素单元电路。
5.一种采用权利要求1所述的硅工艺量子点像素单元电路进行信号采集的方法，包括以下步骤：
步骤01：将像素输入端(RX)和像素单元输入端(TG)置为高电平，复位开关管(M1)和传输管(M2)均开启；将行选输入端(RS)置为低电平，行选开关管(M4)关断，此时，MOS电容(M5)和量子点光敏电阻复位；
步骤02：将像素单元输入端(TG)置为低电平，传输管(M2)关断；将像素输入端(RX)置为高电平，复位开关管(M1)开启；将行选输入端(RS)置为低电平，行选开关管(M4)关断，此时，像素单元开始曝光并且对量子点光敏电阻流出的电流开始积分；
步骤03：将行选输入端(RS)和像素单元输入端(TG)置为低电平，传输管(M2)和行选开关管(M4)关断；将像素输入端(RX)置为低电平，复位开关管(M1)关断，此时节点(FD)处于复位电平(Vreset)状态；
步骤04：将像素单元输入端(TG)置为低电平，传输管(M2)关断；将像素输入端(RX)置为低电平，复位开关管(M1)关断；将行选输入端(RS)置为高电平，行选开关管(M4)开启，此时，节点(FD)通过源跟随器(M3)向外输出电压信号，对像素单元进行第一次采样，从而得到复位电平采样结果；
步骤05：将像素单元输入端(TG)置为平，传输管(M2)开启；将像素输入端(RX)置为低电平，复位开关管(M1)关断；将行选输入端(RS)置为低电平，行选开关管(M4)关断，此时，积分时间结束，在该积分时间内，量子点光敏电阻的光生电流通过积分获得了光生电压，并且通过所开启的传输管(M2)传递给了节点(FD)，从而使得节点(FD)处于信号电平状态；
步骤06：将像素单元输入端(TG)置为低电平，传输管(M2)关断；将像素输入端(RX)置为低电平，复位开关管(M1)关断；将行选输入端(RS)置为高电平，行选开关管(M4)开启，此时，节点(FD)通过源跟随器(M3)向外输出电压信号，对像素单元进行第二次采样，从而得到信号电平采样结果；
步骤07：将像素单元输入端(TG)置为低电平，传输管(M2)关断；将像素输入端(RX)置为低电平，复位开关管(M1)关断；将行选输入端(RS)置为低电平，行选开关管(M4)关断，结束采样，将像素单元置于高阻状态。
6.根据权利要求5所述的信号采集方法，其特征在于，所采用的所述量子点光敏电阻包括可见光敏感量子点和红外光敏感量子点。
7.根据权利要求5所述的信号采集方法，其特征在于，采用所述行选开关管(M4)的源极作为整个像素单元的输出端，输出直流电流。
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