CN107431768B - 量子点传感器读出 - Google Patents

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Abstract

一种装置，包括：量子点石墨烯场效应晶体管，其配置成按照入射到其上的光子致使电子空穴对被形成的方式工作；连接器元件，其连接到量子点石墨烯场效应晶体管的背栅；开关元件，其配置成用作输出开关，以便为流过量子点石墨烯场效应晶体管的电流提供输出；其中量子点石墨烯场效应晶体管配置成按照所形成的电子或空穴被捕获在至少一个量子点中并且空穴或电子分别迁移到量子点场效应晶体管的沟道的方式，经由连接到背栅的连接器元件被背栅偏置；以及其中连接到量子点石墨烯场效应晶体管的漏到源电压致使与在量子点处被捕获的空穴或电子的电荷成比例的电流通过电子或空穴在沟道中流动。

Description

量子点传感器读出
技术领域
本申请一般涉及成像传感器。特别地，但并非排他地，本申请涉及成像传感器的读出。特别地，但并非排他地，本申请涉及基于量子点场效应晶体管的传感器的读出。
背景技术
本部分示出有用的背景信息，而并非承认这里描述的任何技术代表当前的技术水平。
用作光电晶体管的石墨烯场效应晶体管(GFET)被用于成像传感器应用中。GFET具有非常高的载流子迁移率，但是先前由于GFET的连续的电流流动，导致难以实现临时信号存储，所以不可能提供可行的传感器，特别是大面积传感器阵列、架构。
先前，通过使用积分跨阻抗放大器将电流变成电压、并且在放大器之后将积分的电荷存储在采样保持电容器中，GFET已经被用于成像传感器中。这样的布置需要分别用于每个像素(即，每个GFET)的放大器布置，从而增加成本和功率要求，尤其是在诸如用于x射线成像的大面积传感器阵列中。
发明内容
本发明的示例的各个方面在权利要求书中阐述。
根据本发明的第一示例方面，提供了一种装置，包括：
量子点石墨烯场效应晶体管，其配置成按照入射到其上的光子致使电子空穴对被形成的方式工作；
连接器元件，其连接到所述量子点石墨烯场效应晶体管的背栅；
开关元件，其配置成用作输出开关，以便为流过所述量子点石墨烯场效应晶体管的电流提供输出；其中
所述量子点石墨烯场效应晶体管配置成按照所形成的电子或空穴被捕获在至少一个量子点中并且空穴或电子分别迁移到所述量子点场效应晶体管的沟道的方式，经由连接到所述背栅的所述连接器元件被背栅偏置；以及其中
连接到所述量子点石墨烯场效应晶体管的漏到源电压致使与在所述量子点处被捕获的空穴或电子的电荷成比例的电流通过电子或空穴在所述沟道中流动。
所述开关元件可以包括场效应晶体管。
积累在所述量子点石墨烯场效应晶体管处的电荷可以被配置成通过经由所述连接器元件到所述背栅的复位脉冲被复位。
根据本发明的第二示例方面，提供了一种系统，包括：
根据第一示例方面的至少一个装置；以及
放大器电路，其连接到所述至少一个装置的输出，并且包括电流到电压转换器或电流到电荷转换器，以及用于对与流过所述至少一个量子点石墨烯场效应晶体管的电流成比例的电压进行采样的电容元件。
所述至少一个装置包括多于一个装置，并且所述放大器电路可以被连接到多于一个装置的输出。
多于一个装置的漏电极可以被共享。
所述至少一个装置可以包括装置的阵列，并且所述阵列中的每行装置可以具有共享的漏电极；并且所述装置还可以包括用于所述阵列中的每列的列选择电极。
所述系统还可以包括使得能够逐个对所述输出进行采样的多路复用器元件。
所述系统还可以包括模拟到数字转换器元件。
根据本发明的第三示例方面，提供了一种方法，包括：
按照由入射在至少一个量子点石墨烯场效应晶体管上的光子形成的电子或空穴被捕获在至少一个量子点中并且由入射在所述晶体管上的光子形成的空穴或电子分别迁移到所述量子点石墨烯场效应晶体管的沟道的方式，以背栅电压对所述量子点石墨烯场效应晶体管进行背栅偏置；
使得所述至少一个量子点石墨烯场效应晶体管能够利用光子被照射；
将漏源电压连接到所述量子点石墨烯场效应晶体管，从而致使与在所述量子点石墨烯场效应晶体管的量子点处被捕获的空穴或电子的电荷成比例的电流在所述沟道中流动；
利用开关元件将所述电流连接到放大器电路；
将所述电流转换成电压；以及
利用电容元件对所述电压进行采样。
所述方法还可以包括利用背栅脉冲将所述量子点石墨烯场效应晶体管的电荷复位。
所述方法还可以包括利用开关元件选择将被连接到所述放大器电路的电流。
根据本发明的第四示例方面，提供了一种计算机程序，其包括当由装置执行时用于致使执行第三示例方面的方法的计算机代码。
根据本发明的第五示例方面，提供了一种非暂时存储介质，其包括第四示例方面的计算机程序。
上文或下文中的任何存储介质可以包括数字数据存储装置(诸如数据盘或磁盘)、光存储装置、磁存储装置、全息存储装置、光磁存储装置、相变存储器、电阻随机存取存储器、磁随机存取存储器、固体电解质存储器、铁电随机存取存储器、有机存储器或聚合物存储器。存储介质可被形成到除收容存储器之外不具有其它实质功能的设备中，或者可被形成为具有其它功能的设备的一部分，包括但不限于计算机的存储器、芯片集、以及电子设备的子组件。在本文件的上下文中，“存储介质”可以是能够包含、存储、传递、传播或传输指令的任何非暂时介质或部件，所述指令用于供指令执行系统、装置或设备(诸如计算机)使用或者与指令执行系统、装置或设备(诸如计算机)结合使用。
在上文中已经示出本发明的不同的非约束示例方面和实施例。上文中的实施例仅用于解释可在本发明的实现中利用的选取的方面或步骤。一些实施例可能仅参考本发明的某些示例方面而被呈现。应理解的是，相应的实施例也可以应用于其它示例方面。
附图说明
为了更完整地理解本发明的示例实施例，现在参考结合附图提供的以下描述，在附图中：
图1示出根据本发明的示例实施例的装置的示意图；
图2示出根据本发明的另一示例实施例的系统的示意图；
图3示出根据本发明的另一示例实施例的系统的另一示意图；以及
图4示出根据本发明的示例实施例的方法的流程图。
具体实施方式
通过参考附图的图1至4来理解本发明的示例实施例及其潜在的优点。在本文件中，相同的附图标记指代相同的部分或步骤。
图1示出根据示例实施例的装置100的示意图。该装置包括量子点石墨烯场效应晶体管(QD-GFET)，在该QD-GFET上包含有石墨烯层12和至少一个量子点13。在示例实施例中，石墨烯层12包括单层或双层石墨烯。在示例实施例中，至少一个量子点13包括胶体量子点的薄膜。装置100还包括：连接器元件2，其以电压Vdd连接到QD-GFET 10的漏极；以及连接器元件3，其连接到QD-GFET 10的背栅、且配置成提供背栅电压Vbg以用于QD-GFET 10的背栅偏置。应注意的是，QD-GFET 10包括栅电极、源电极和漏电极。该装置还包括开关元件，其配置成用作输出开关并且为流过QD-GFET的电流提供输出。在示例实施例中，该装置包括配置成用作输出开关的场效应晶体管(FET)5。FET 5的漏极被连接到QD-GFET 10的源极，并且FET 5的源极和背栅被连接到连接器元件6，连接器元件6配置成用作装置的输出。FET 5的栅极连接到连接器元件4，连接器元件4配置成提供用于读取输出6的信号。QD-GFET 10被配置成作为光电晶体管工作，即，入射在QD-GFET 10上的光子被吸收到至少一个量子点13中并生成电子空穴对。光子是电磁辐射的量子。在示例实施例中，QD-GFET 10被配置成作为用于x射线光子的传感器工作。
图2示出根据本发明的另一示例实施例的系统200的示意图。在示例实施例中，系统200包括至少一个装置100a、100b。尽管图2示出两个装置100a、100b，但是在另一实施例中，系统包括单个装置，或者形成传感器阵列的若干个装置。每个装置100a、100b对应于成像传感器的单个像素。系统200还包括输出连接器元件14，每个装置的输出6(图1)被连接到所述输出连接器元件14。系统200还包括电荷到电压或电流到电压跨阻抗放大器电路20，其包括运算放大器17、电阻元件15和电容元件16。元件15、16被选取为提供大时间常数，以便将虚地设置为使QD-GFET 10工作点处于空闲。可替代地，在另一示例实施例中，由供电电压之间的电阻梯或可控电压源设置虚地电压。电路20还包括电容元件18。在另一示例实施例中，电阻元件与电容元件并联连接，并且电路20被配置成作为电流到电压跨阻抗放大器工作。在示例实施例中，系统200如参考图1和2在下文中描述的那样工作。
QD-GFET通过背栅电压Vbg被背栅偏置到这样的状态：当入射光子在至少一个量子点13中生成电子空穴对时，电子停留或被捕获在量子点中，并且空穴穿过由背栅电压Vbg降低的势垒到达QD-GFET 10的沟道。在示例实施例中，空穴到QD-GFET的沟道的传输时间在数毫秒或数百毫秒的范围内。随后，漏源电压被连接到单个像素，即，连接到单个QD-GFET 10或一组QD-GFET，并且与在QD-GFET 10的量子点中被捕获的电荷成比例的(即，与入射在QD-GFET 10上的光子成比例的)电流开始流动。电流流动被FET 5连接到放大器电路20，该放大器电路20将电流转换成电压，然后电压被存储到电容元件或被馈送到下一个增益或滤波级。在另一示例实施例中，代替电子，空穴被捕获到至少一个量子点13中，并且电子被传输到QD-GFET 10沟道中。
图3示出根据本发明的另一示例实施例的系统的另一示意图。该系统包括形成成像传感器阵列的像素100a-f、101a-f、102a-f。每个像素包括(如图1中所示的)整个装置100或仅包括QD-GFET 10。在示例实施例中，开关FET 5与例如一行像素共享。图3示出该行像素的漏电极(即，连接器元件)21，这些漏电极由像素的边界区域形成并且在该行内彼此连接。在示例实施例中，为了功率节省的原因，一行的漏电极没有连接到其他行的漏电极。系统还包括列选择连接器元件或电极22和放大器电路20a-c。在示例实施例中，放大器电路20a-c的数量对应于行的数量。在另一示例实施例中，放大器电路的数量更大或更小。系统还包括用于选择将被采样的输出(即，使得能够逐个读取像素)的多路复用器元件23，以及模拟到数字转换器元件24。在示例实施例中，单个多路复用器23和模拟到数字转换器24取决于系统的要求被连接到一个或多个像素行。在另一实施例中，行和列互换，即，每列具有公共漏电极，并且被连接到放大器电路20a-c。
图4示出根据示例实施例的对装置进行操作的示例过程的流程图。在410，一个像素或多个像素(即，所需数量的QD-GFET)被背栅偏置到所需的预定设置。在420，像素被照射，即，光子入射到像素上。在430，吸收到量子点中的光子生成电子空穴对。空穴朝向QD-GFET的沟道迁移，并且电子仍然被捕获在量子点中。在440，漏源电压被连接，并且电流开始流过QD-GFET。在450，连接到期望数量的(例如，一个)像素的放大器电路将与已经迁移通过沟道的电荷(即，空穴)成比例的电流转换成电压，然后，电压被采样到电容元件中。在具有与元件18中的电容器并联连接的电阻器的实施例中，放大器电路将瞬时电流转换成瞬时电压。应注意的是，取决于QD-GFEt的结构，电子保持被捕获在量子点中的状态一定时间，并且于是，QD-GFET用作临时信号存储装置，并且不需要同时或即刻从所有QD-GFET读取与所捕获电子的电荷成比例的信号电流。在460，如果QD-GFET的电荷保持时间长于应用所需要的电荷保持时间，则在再次从410开始本方法之前，利用到背栅的电压脉冲、复位脉冲来清除(即，复位)存储(即积累)到QD-GFET量子点中的电荷。在另一示例实施例中，代替电子，空穴被捕获到量子点中，并且电子被传输到QD-GFET沟道中。应注意的是，在示例实施例中，由包括成像传感器的装置的处理器控制上文中描述的操作，所述成像传感器包括根据本发明的示例实施例的装置或系统，所述处理器被配置成执行用于致使上文中描述的操作的程序代码。
不以任何方式限制出现在下面的权利要求书的范围、解释或应用，本文中公开的示例实施例中的一个或多个的技术效果是提供了实现临时信号存储的QD-GFET成像传感器。由于单个光子生成在105-108的范围内的载流子以传输通过QD-GFET沟道，所以本文中公开的示例实施例的一个或多个的另一个技术效果是增加的检测灵敏度。由于并不需要为每个像素设置放大器电路，所以本文中公开的示例实施例中的一个或多个的另一个技术效果是提供了简单的采样电路。因为仅在放大器处理信号的时间段内需要连接源漏电压，所以本文中公开的示例实施例中的一个或多个的另一技术效果是具有显著减小的功率消耗的QD-GFET传感器。
本发明的实施例可在软件、硬件、应用逻辑、或者软件、硬件和应用逻辑的组合中实现。在示例实施例中，应用逻辑、软件或指令集被维持在各种常规计算机可读介质中的任一个上。在本文件的上下文中，“计算机可读介质”可以是能够包含、存储、传递、传播或传输指令的任何介质或部件，所述指令用于供指令执行系统、装置或设备使用、或者与指令执行系统、装置或设备结合使用。计算机可读介质可包括计算机可读存储介质，其可以是能够包含或存储指令的任何介质或部件，所述指令用于供指令执行系统、装置或设备(诸如计算机)使用、或者与指令执行系统、装置或设备(诸如计算机)结合使用。
如果需要，本文中讨论的不同功能可以以不同的次序和/或彼此同时地被实行。而且，如果需要，之前描述的功能中的一个或多个可以是可选的或者可以被组合。
尽管在独立权利要求中阐述了本发明的各个方面，但是本发明的其它方面包括来自所描述的实施例和/或从属权利要求的特征与独立权利要求的特征的其它组合，而不仅仅是权利要求书中明确阐述的组合。
本文中还应注意的是，尽管上文描述了本发明的示例实施例，但是这些描述不应被认为是限制性的。而是，存在着可在不脱离如所附权利要求书中限定的本发明的范围的情况下做出的若干变化和修改。

Claims (12)

1.一种装置，包括：
至少一个像素装置，所述至少一个像素装置中的每一个对应于成像传感器的单个像素，所述至少一个像素装置包括：
量子点石墨烯场效应晶体管，其配置成按照入射到其上的光子致使电子空穴对被形成的方式工作；
连接器元件，其连接到所述量子点石墨烯场效应晶体管的背栅；
开关元件，其配置成用作输出开关，以便为流过所述量子点石墨烯场效应晶体管的电流提供输出，
其中，所述量子点石墨烯场效应晶体管配置成按照所形成的电子或空穴被捕获在至少一个量子点中并且空穴或电子分别迁移到所述量子点石墨烯场效应晶体管的沟道的方式，经由连接到所述背栅的所述连接器元件被背栅偏置，
从而使得积累在所述量子点石墨烯场效应晶体管处的电荷被配置成通过经由所述连接器元件到所述背栅的复位脉冲被复位，以及
其中，连接到所述量子点石墨烯场效应晶体管的漏源电压致使与在所述量子点处被捕获的空穴或电子的电荷成比例的电流通过电子或空穴在所述沟道中流动；以及
放大器电路，其连接到所述至少一个像素装置的输出，并且包括电流到电压或电流到电荷的转换器，以及用于对与流过至少一个量子点石墨烯场效应晶体管的电流成比例的电压进行采样的第一电容元件，所述转换器包括运算放大器、电阻元件和第二电容元件，其中所述运算放大器具有耦接到所述至少一个像素装置的输出的第一输入，所述电阻元件的输入被耦接到所述至少一个像素装置的输出，所述电阻元件的输出被耦接到所述第二电容元件的输入并耦接到所述运算放大器的第二输入，并且所述第二电容元件的输入接地。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述开关元件包括场效应晶体管。
3.如权利要求1所述的装置，包括多个像素装置，并且所述放大器电路被连接到多于一个像素装置的输出。
4.如权利要求1所述的装置，其中多于一个像素装置的漏电极被共享。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述至少一个像素装置包括像素装置的阵列，并且所述阵列中的每行像素装置具有共享的漏电极；并且所述装置还包括用于所述阵列中的每列的列选择电极。
6.如权利要求1至5中任一项所述的装置，还包括使得能够逐个对所述输出进行采样的多路复用器元件。
7.如权利要求1至5中任一项所述的装置，还包括模拟到数字转换器元件。
8.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其中所述电阻元件和所述第二电容元件的值被选择以提供时间常数，以便将虚地设置为空闲工作点。
9.一种方法，包括：
按照由入射在像素装置的至少一个量子点石墨烯场效应晶体管上的光子形成的电子或空穴被捕获在至少一个量子点中并且由入射在所述量子点石墨烯场效应晶体管上的光子形成的空穴或电子分别迁移到所述量子点石墨烯场效应晶体管的沟道的方式，以背栅电压对所述量子点石墨烯场效应晶体管进行背栅偏置,其中所述像素装置对应于成像传感器的单个像素；
使得所述至少一个量子点石墨烯场效应晶体管能够利用光子被照射；
经由到所述背栅的连接器元件将漏源电压连接到所述量子点石墨烯场效应晶体管，从而致使与在所述量子点石墨烯场效应晶体管的量子点处被捕获的空穴或电子的电荷成比例的电流在所述沟道中流动；
通过经由所述连接器元件到所述背栅的复位脉冲来复位积累在所述量子点石墨烯场效应晶体管处的电荷；
利用开关元件将所述电流连接到放大器电路；
使用所述放大器电路将所述电流转换成电压，其中所述放大器电路连接到所述像素装置的输出，并且包括电流到电压转换器以及用于对与流过所述至少一个量子点石墨烯场效应晶体管的电流成比例的电压进行采样的第一电容元件，所述转换器包括运算放大器、电阻元件和第二电容元件，其中所述运算放大器具有耦接到所述像素装置的输出的第一输入，所述电阻元件的输入被耦接到所述像素装置的输出，所述电阻元件的输出被耦接到所述第二电容元件的输入并耦接到所述运算放大器的第二输入，并且所述第二电容元件的输入接地；以及
利用所述第一电容元件对所述电压进行采样。
10.如权利要求9所述的方法，还包括利用背栅脉冲将所述量子点石墨烯场效应晶体管的电荷复位。
11.如权利要求9或10所述的方法，还包括利用多个开关元件中对应的一个来选择来自多个像素装置的将被连接到所述放大器电路的电流。
12.一种非暂时存储介质，其上存储计算机程序，当所述计算机程序由处理器执行时致使实现权利要求9至11中任一项所述的方法。
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