CN111624615A

CN111624615A - 光传感器

Info

Publication number: CN111624615A
Application number: CN202010125602.5A
Authority: CN
Inventors: N·达顿
Original assignee: STMicroelectronics Research and Development Ltd
Current assignee: STMicroelectronics Research and Development Ltd
Priority date: 2019-02-28
Filing date: 2020-02-27
Publication date: 2020-09-04
Also published as: CN211979200U; EP3702805A1; US20200278247A1; US20220011160A1; US11815393B2; US11137285B2

Abstract

本公开的各实施例涉及光传感器。一种传感器，具有被布置在多个行和多个列中的多个像素，该传感器具有用于控制上述行中的哪一个行被激活的行控制电路装置，并且具有用于控制上述激活的行中的上述像素中的哪个像素要被激活的列控制电路装置。列电路装置具有存储器，该存储器被配置为存储关于指示哪些像素有缺陷的信息，其中像素中的每个像素具有光电二极管和控制光电二极管的激活的多个晶体管。第一晶体管被配置为由列启用信号控制，而第二晶体管被配置为由行选择信号控制。

Description

光传感器

技术领域

一些实施例涉及一种装置，并且特别但非排他地涉及具有光敏器件阵列的装置。

背景技术

使用光的范围和距离检测是已知的。被称为LIDAR(光检测和测范围)的系统具有许多应用，包括消费电子设备、机动车、机器人、勘测等。

示例LIDAR系统使用光源(例如垂直腔表面发射激光器(VCSEL))来生成光脉冲，该光脉冲从一个表面反射后在接收器或检测器(例如光电二极管或单光子雪崩二极管(SPAD)阵列)处被检测。

使用公式D＝0.5×S*T，发射和接收的光之间的时间差提供了距离或范围值，其中T是时间差，S是光速，并且D是从发射器到反射物体的距离。

发明内容

根据一些实施例，提供了一种传感器，包括：多个像素，被布置在多个行和多个列中；行控制电路装置，用于控制上述行中的哪一个行被激活；以及列控制电路装置，用于控制上述激活的行中的上述像素中的哪个像素要被激活，上述列电路装置包括存储器，上述存储器被配置为存储指示上述像素中的哪些像素有缺陷的信息，其中上述像素中的每个像素包括光电二极管和被配置为控制上述光电二极管的激活的多个晶体管，其中第一晶体管配置为由列启用信号控制，并且第二晶体管配置为由行选择信号控制。

光电二极管可以包括单光子雪崩二极管。

行控制电路装置可以被配置为根据行选择信号而提供控制信号，上述控制信号被提供给上述像素中的每个像素，上述控制信号被配置为控制每个相应的像素中的光电二极管的猝灭。

存储器可以被配置为输出列启用信号。

该存储器可以包括状态机、连接到该状态机的缺陷存储器和活动存储器，其中缺陷存储器将指示多个像素中的哪些像素有故障，并且其中活动存储器定义在给定的读取操作中多个像素中的哪些像素是活动的。

当提供给第一晶体管的列启用信号也为高时，控制信号可以仅猝灭每个相应的像素中的光电二极管。

传感器可以被配置为使得如果列启用信号为低，则列禁用晶体管将导通而第一晶体管将不导通，这将跨每个像素中的光电二极管的电压减小到击穿电压以下。

传感器可以被配置为使得如果行选择信号为高，则行禁用晶体管将导通，这将跨每个像素中的光电二极管的电压减小到击穿电压以下。

多个像素中的像素中的每个可以包括缓冲器，该缓冲器包括串联布置的两个反相器。

传感器可以包括多个光子计数电路，其被配置为对由多个像素中的每个像素检测到的光子的量进行计数。

多个光子计数电路可以由多个像素中的像素中的两个或多个像素共享。

传感器可以被配置为一次激活像素的单个行，使得行激活可以是顺序的和/或行激活可以是随机的。

多个晶体管可以包括MOSFET晶体管。

第一晶体管和第二晶体管可以是NMOS晶体管，而列禁用晶体管和行禁用晶体管可以是PMOS晶体管。

根据一些实施例，提供了一种方法，包括：提供被布置在多个行和多个列中的多个像素，其中上述像素中的每个像素包括光电二极管和被配置为控制上述光电二极管的激活的多个晶体管；利用行选择信号控制上述行中的哪一个行被激活；利用列启用信号控制上述激活的行中的上述像素中的哪一个像素要被激活；并且当像素的多个上述行和列被激活时，存储指示上述多个像素中的哪些像素有缺陷的信息。

光电二极管可以包括单光子雪崩二极管。

方法可以包括根据行选择信号而提供控制信号，上述控制信号被提供给上述像素中的每个像素，上述控制信号控制每个相应的像素中的光电二极管的猝灭。

列启用信号可以由存储器输出。

方法可以包括通过缺陷存储器指示在给定的读取操作中多个像素中的哪些像素是活动的。

方法可以包括当提供给第一晶体管的列启用信号也为高时，猝灭每个相应的像素中的光电二极管。

方法可以包括当列启用信号为低时，在列禁用晶体管中导通，这将跨每个像素中的光电二极管的电压减小到击穿电压以下。

方法可以包括如果行选择信号为高，则在行禁用晶体管中导通，这将跨每个像素中的光电二极管的电压减小到击穿电压以下。

方法可以包括通过光子计数电路对由多个像素中的每个像素检测的光子的量进行计数。

光子计数电路可以由多个像素中的像素中的两个或多个像素共享。

方法可以包括一次激活像素的单个行，使得行激活可以是顺序的和/或行激活可以是随机的。

多个晶体管可以包括MOSFET晶体管。

根据一些实施例，提供了一种装置，包括：用于提供被布置在多个行和多个列中的多个像素的部件，其中上述像素中的每个像素包括光电二极管和被配置为控制上述光电二极管的激活的多个晶体管；利用行选择信号控制上述行中的哪一个行被激活；利用列启用信号控制上述激活的行中的上述像素中的哪一个像素要被激活；并且当多个上述行和列的像素被激活时，存储指示上述多个像素中的哪些像素有缺陷的信息。

光电二极管可以包括单光子雪崩二极管。

装置可以包括用于根据行选择信号而提供控制信号的部件，上述控制信号被提供给上述像素中的每个像素，上述控制信号控制每个相应的像素中的光电二极管的猝灭。

列启用信号可以由存储器输出。

装置可以包括用于以下操作的部件：当提供给第一晶体管的列启用信号也为高时，猝灭在每个相应的像素中的光电二极管。

装置可以包括用于以下操作的部件：当列启用信号为低时，在列禁用晶体管中导通，这将跨每个像素中的光电二极管的电压减小到击穿电压以下。

装置可以包括用于以下操作的部件：如果行选择信号为高，则在行禁用晶体管中导通，这将跨每个像素中的光电二极管的电压减小到击穿电压以下。

多个像素中的像素中的每个像素可以包括缓冲器，该缓冲器包括串联布置的两个反相器。

附图说明

图1示意性地示出了根据一些实施例的示例LIDAR系统，可以在其中实施实施例；

图2示意性地示出了图像传感器；

图3A示意性地示出了传感器阵列；

图3B示意性地示出了备选传感器阵列；

图4示出了一些实施例的像素；

图5示出了一些实施例的传感器阵列的示意图；

图6示出了相对于时间的行激活的示意表示；

图7示出了相对于时间的行激活的另一示意表示；

图8示出了一些实施例中的像素电路装置的布置；

图9示出了一些实施例中的像素电路装置的另一示例。

具体实施方式

关于图1，进一步详细示出了适于实施一些实施例的一个示例范围或距离测量系统100。系统100包括光源103。该光源可以被认为是在距离检测中使用的光的发射器。光源可以是任何合适的脉冲(或波)光源。例如，在一些实施例中，光源可以是一个或多个垂直腔表面发射激光器光源。垂直腔表面发射激光器是合适的，因为它能够产生适当限定的合适的短持续时间的脉冲。光源103可以进一步包括或耦合到被配置为将光源准直和/或聚焦到特定区域或面积的各种光学器件。在一些实施例中，光源包括机械或光束导向器，该机械或光束导向器被配置为根据限定的图案将光导向目标或表面104。然后，所发射的光102可以入射在表面104上，并且所反射的光106在系统100的检测器105处被接收。

检测器105可以包括各种光学器件或耦合到各种光学器件，该光学器件被配置为将返回的光聚焦到检测器内的特定感光区域或面积。该检测器可以被认为是距离检测中使用的光的接收器。在一些实施例中，检测器包括机械或光束导向器或与其相关联(在一些实施例中，与由光源103使用的是相同的机械或光束导向器)，该机械或光束导向器被配置为(根据限定的图案)返回的光导向检测器内的特定光敏区域或面积。在一些实施例中，检测器105包括光敏区域，例如被配置为将所接收的光转换成适于输出的电子信号的单光子雪崩二极管的阵列。

单光子雪崩二极管(SPAD)是一种能够检测光的半导体器件。撞击在SPAD的检测区域上的光子经由光电效应生成电子和空穴对。利用高电压幅度反向偏置SPAD，以便在生成电子/空穴载流子时，跨检测区域施加的电场使载流子根据所施加的场的强度和方向被加速到相对较高的速度。如果被加速的载流子的动能足够，则将从半导体晶格中生成附加的载流子，该附加的载流子又被电场加速，并可能以指数级增长的方式释放出另外的载流子。因此，当跨检测区域施加足够高的电场时，单个撞击光子可以生成载流子的雪崩，导致输出电流“脉冲”，其中电流输出与所检测的光子的数目成比例。

导致载流子的雪崩，从而使器件作为SPAD操作的最小电压被称为击穿电压。如果所施加的电压太低，即低于击穿电压，则该器件将不产生任何输出。但是，如果所施加的电压太高，则即使没有光子撞击SPAD，所生成的电场也可以足以引起载流子雪崩，导致错误的输出电流。该错误的输出被称为“暗电流”。

系统可以包括定时生成器(或控制器)113。在一些实施例中，可以使用定时生成器113来控制检测器105和光源103。定时生成器113可以被配置为生成各种定时或控制脉冲以控制光源，例如控制何时何地发射光。定时生成器113可以被配置为进一步控制检测器，以将一些区域激活为是光敏或活动的，并将一些其他区域激活为非活动的。

系统可以包括距离测量/距离映射单元115。在一些实施例中，距离测量/映射单元115可以被配置为从定时生成器113和从检测器105(以及在一些实施例中，光源103)接收定时控制信息，并且基于光从光源103到表面104以及从表面104到检测器105所花费的时间来确定系统100与表面104之间的距离。例如，距离测量/映射单元115可以被配置为生成所检测的事件(相对于时间)的直方图，并且根据该直方图确定距离。在一些实施例中，距离测量/距离映射单元115被配置为确定一个以上的点或区域的距离，并且因此确定距离地图。

在一些实施例中，系统100可以包括合适的应用111，合适的应用111被配置为与定时生成器113和距离测量/距离映射单元115对接。例如，该应用可以是机动车制动决策单元、机动车导航单元、计算机视觉单元或其他应用。例如，应用111可以接收距离地图或距离值，并且基于该距离信息执行决策或确定以控制另外的装置。在一些另外的实施例中，应用111还可以被配置为控制定时生成器以改变距离测量参数。

在一些实施例中，定时生成器113、距离测量/映射115和应用111可以被实施在计算机(运行存储在至少一个存储器和至少一个处理器上的合适的软件)、移动设备内，或备选地被实施在利用例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)的特定设备内。

关于图2，示意性地示出了检测器(接收器)配置。图像传感器225包括敏感的区域或检测区域226。该感测区域由形成敏感的区域的光电二极管(诸如SPAD 224)的阵列组成。该阵列被配置为具有SPAD 224的多个行和多个列。

参考图3A，其示出了可以用来实施检测器105的传感器300。传感器300具有被布置在X行和Y列中的宏像素302的阵列301、控制电路装置304和行控制电路装置306。在该实施例中，一次可以激活一行。这由行控制306控制。在图3A中更详细地示出了宏像素302。

宏像素302具有四个阱308。每个阱308具有N个SPAD。仅作为示例，N的值可以在4和560之间。优选地，N的值可以在8和112之间。更优选地，N的值可以是28。在其他示例中，N的值可以高于或低于28。四个阱被布置在2x2布置中。在图3A中，两个上部阱直接在两个下部阱的上方。在备选实施例中，如图3B中所示，两个上部阱被四分之一宏像素302偏移。如在图3B中看到的，左下方的阱的中间与其上方的阱的左端对齐。即使图3A和图3B示出了每个宏像素302的四个阱308，但在其他示例中，每个宏像素提供的阱的数目也可以高于4或低于4。

宏像素302各自具有沿着底部行中的两个阱的下边缘的时钟和信号缓冲电路装置310。在第一行的第一阱与第二阱之间以及第二行的第一阱与第二阱之间提供TDC(时间到数字转换器)电路装置312。SPAD像素电路314被布置在宏像素302的第一行与第二行之间。TDC电路装置可以用于增加定时分辨率。

在图3中更详细地示出了阱308的一部分和相关联的SPAD像素电路314(由附图标记316的虚线框示出)。在该细节中，三个SPAD 320在一列中被示出并且它们共享阴极。为每个SPAD 320提供SPAD像素电路314。每个SPAD像素电路将控制读出、电荷存储、猝灭、复位、激活和相应的SPAD的解除激活。

在一些情况下，可能期望提供相对较高的填充因子。为此，一些实施例可以被配置为提供更紧凑的SPAD像素电路以减小由此占据的面积。这意味着可以增加由SPAD占据的宏像素的比例。

在一些实施例中，一些SPAD可以提供相对较高的DCR(暗计数率)。这是SPAD未被照射时，所计数的输出脉冲的数目(即未接收到任何光子，但雪崩击穿仍被触发)。通常不期望本身具有高DCR的SPAD，但是能够管理具有高DCR的SPAD意味着阵列可以对由较高DCR引起的问题不太敏感。降低DCR具有相关联的成本，如果阵列对高DCR SPAD不敏感，则可以避免或降低成本。降低的成本可以是例如空间采样的减少。如果像素关闭，则不能对其进行检测或采样。

应当理解，实施例可以与任何合适尺寸的阵列一起使用，从只有几个像素的阵列到非常大的阵列。应当理解，一些实施例可以与具有例如数十万、数百万或数千万个SPAD的阵列一起使用。

在一些实施例中，可以管理功耗。例如，高DCR SPAD可以被门控。例如，SPAD的行可以被顺序地启用。特别地，限定有缺陷的SPAD(例如，具有高DCR的SPAD)的存储器不被提供在像素本身中，而是被提供在列控制电路装置中。列控制电路装置用于控制SPAD是否处于活动状态(假设SPAD在激活的行中)。该列控制电路装置将提供启用信号(可以开启或关闭)和禁用信号(可以开启或关闭)。这些信号用于控制激活的行中的特定的SPAD是否被激活。尽管该技术用于避免有缺陷的SPAD的使用，但是如果存在特定的关注区域，则该技术也可以用于选择行中的子组的像素。

一些实施例使得可以激活阵列的关注区域(ROI)，从而允许跨阵列的随机访问。ROI可以是任何合适的ROI，并且可以例如是SPAD的一个或多个行。例如，可以选择一定范围的行以获得ROI，而该范围上方和下方的所有其他行被解除激活。

参考图4，其示出了一些实施例的像素400。像素可以被用在诸如之前描述的阵列中。

与像素400分离地提供行控制器440和列控制器480。

像素400具有感测级，其包括SPAD 401、列启用MOSFET 402和猝灭/复位器件403。SPAD 401、列启用MOSFET 402和猝灭/复位器件403被串联布置在VHV(即电源)与AVSS(即地)之间。SPAD401可以检测光子并触发雪崩电流。

列启用MOSFET 402可以从列控制器480接收信号。在该示例中，列启用MOSFET 402是NMOS晶体管。如果在列启用MOSFET402的栅极处接收的信号为高，则列启用MOSFET 402将导通并启用该像素。在该示例中，猝灭/复位器件403也是NMOS晶体管。猝灭/复位器件403可以从行控制器440接收SPAD复位信号(行VQ)，当SPAD复位信号(行VQ)为高时，导致猝灭/复位器件403导通并导致雪崩被猝灭。

像素400包括MOSFET器件405、407，MOSFET器件405、407并联布置在电压端子VSPADOFF与在SPAD 401和列启用MOSFET402之间的节点之间。在该示例中，MOSFET器件405、407是PMOS晶体管。MOSFET器件405可以接收将禁用像素的行禁用信号。如果行禁用信号为低，则MOSFET器件405将导通并且像素400将被禁用。该行禁用信号可以由行控制器440发送。MOSFET器件407可以接收将禁用像素的列禁用信号。如果列禁用信号为低，则MOSFET器件407将导通并且像素400将被禁用。该列禁用信号可以由列控制器480发送。当MOSFET器件405、407关断(即，到MOSFET 405、407的禁用信号为高)时，来自感测级的雪崩电流通过到反相器409中。

行控制器440包括第二反相器441，第二反相器441具有被标记为ROWSEL的行选择信号输入。第二反相器441连接到第一MOSFET 405的栅极。以这种方式，行控制器可以将行禁用信号提供给像素400，当ROWSEL为高时(由于反相器)，行禁用信号将禁用该像素。行控制器具有包括MOSFET器件443、445的猝灭触发电路。在该示例中，MOSFET器件443是PMOS晶体管，并且MOSFET器件445是NMOS晶体管。ROWSEL信号被输入到MOSFET器件443、445的栅极。MOSFET器件443的漏极连接到MOSFET器件445的漏极，MOSFET器件445的漏极又连接到像素400中的猝灭/复位器件403的栅极。MOSFET器件443的源极连接到全局VQ(即，全局基准电压)。MOSFET器件445的源极连接到AVSS(即地)。当ROWSEL信号为高时，MOSFET器件443将不导通，并且MOSFET器件445将导通。在这种情况下，到猝灭/复位器件403的栅极将是低输入，这将导致猝灭/复位器件403不导通。当ROWSEL信号为低时，MOSFET器件443将导通，并且MOSFET器件445将不导通。在这种情况下，到猝灭/复位器件403的栅极将是高输入，这将导致猝灭/复位器件403导通。如果猝灭/复位器件403导通并且列启用MOSFET 402也导通，则这将允许雪崩猝灭/复位。

列控制器480包括存储器481。存储器481可以是任何种类的合适的存储器。针对像素的行数据和列数据将被输入到存储器481中以进行存储。存储器481可以将高输出或低输出(启用信号(EN)和/或禁止信号(DIS))分别输出到缓冲门483、485。缓冲门483的输出连接到列启用MOSFET 402的栅极。如果EN信号和DIS信号为高，则列启用MOSFET 402将导通。缓冲门485的输出连接到MOSFET器件407的栅极。如果EN和DIS信号为低，则MOSFET器件407将导通并且MOSFET 402将停止导通。这降低了跨SPAD401的电压，使SPAD 401低于击穿电压，从而防止雪崩的出现。当ROWSEL信号为高时，出现相同的效果，此时MOSFET 403停止导通，并且MOSFET 405导通，使SPAD 401低于击穿电压并且防止操作。MOSFET器件402、403、405、407形成NAND门。如果ROWSEL、全局VQ和列EN都为高，则像素中的NAND门提供将像素激活的功能。

图4仅示出具有行控制器440和列控制器480的单个像素400。然而，行控制器440将连接到多个像素，并且将控制作为一行的像素。列控制器480将连接到多个像素，并且将控制作为一列的像素。

与像素400分离的行控制器440和列控制器480可以允许具有高填充因子的高分辨率SPAD阵列。这种像素布局提供具有集成定时的高分辨率SPAD阵列。该系统可以适用于LIDAR。该布局允许使用行控制器440或列控制器480来关闭或开启像素的各个行和各个列。另外，该布局可以更加紧凑，因为PMOS最多有2个N阱(而不是4个)。

在传统系统中，将为每个单独的像素提供存储器、行控制器和列控制器。由于在空间中能够布置较少的像素，因此这降低了SPAD阵列的分辨率。例如，在一些之前的提议中，将在每个像素中提供晶体管443和440。在一些之前的提议中，每个像素将被提供有存储器，以指示该像素是否有缺陷。

参考图5，其示意性示出一些实施例的传感器阵列架构，提供了状态机和随机访问控制501。用于整个SPAD阵列的缺陷存储器503连接到状态机和随机访问控制501。缺陷存储器503将指示阵列的SPAD中的哪些SPAD有故障并且不应当被使用。状态机和随机访问控制501和缺陷存储器503都连接到活动SPAD存储器505，活动SPAD存储器505限定在给定的读取操作中哪些SPAD是活动的。状态机和随机访问控制501、缺陷存储器503和活动SPAD存储器505通过图4的列控制器480连接到SPAD阵列507。状态机和随机访问控制501也可以连接到行控制509。

活动SPAD存储器505连接到SPAD阵列507。活动SPAD存储器可以通过并行数据接口(每个SPAD 1位)连接到SPAD阵列507。也可以使用任何其他合适的连接。

提供了连接到SPAD阵列507的行控制509。行控制509可以通过并行数据接口连接到SPAD阵列507。在这种布置中，一次仅激活一行。也可以使用任何其他合适的连接。列控制器用于选择阵列中的哪些SPAD是活动的以进行感测。在一些实施例中，这可以是除有缺陷的SPAD之外的整个行。

如图5中所示，存储器(即，状态机和随机访问控制501、缺陷存储器503和活动SPAD存储器505)被提供在阵列的边缘。由于在阵列的感测部分中存在更多SPAD，因此这可以允许更高的图像分辨率。

SPAD阵列507可以被一次激活一行。参考图6，其示出了相对于时间的行激活的示意表示。如图6中所示，行访问可以是顺序访问，其中先访问行0，接下来访问行1，等等。

参考图7，其示出了相对于时间的行激活的另一示意表示。如图7中所示，行访问可以是随机行访问，其中先访问行0，接下来访问行11，接下来访问行2，等等。

应当理解，在其他实施例中，可以使用行访问的任何合适模式(pattern)。

在实施例中，可以随时将行访问从顺序访问改变为随机访问，反之亦然。备选地或附加地，可以使用任何其他合适的访问模式。

再次参考图5，缺陷存储器可以由状态机和随机访问控制501访问，以控制激活的行中的哪些SPAD将是活动的(因此，有缺陷的SPAD不被激活)。状态机和随机访问控制501可以在LIDAR帧期间的任何时间激活SPAD。

参考图8，提供了包括SPAD 703的像素701。该像素701的布局类似于图4中描述的像素400，但是更详细地示出了像素的读出方面。像素701具有感测级，其包括SPAD 703、列启用MOSFET 705和猝灭/复位器件707。SPAD703、列启用MOSFET 705和猝灭/复位器件707被串联布置在VHV(即电源)与AVSS(即地)之间。SPAD703可以检测光子并触发雪崩电流。在该示例中，列启用MOSFET705是NMOS晶体管。列启用MOSFET 705可以从被标记为列[Y，SPAD]SPAD PD(COL[Y，SPAD]SPAD PD)的输入接收栅极信号。如果列[Y，SPAD]SPAD PD(COL[Y，SPAD]SPAD PD)为高，则列启用MOSFET 705将导通。猝灭/复位器件707可以在其栅极上从被标记为行[x]VRECHARGE(ROW[x]VRECHARGE)的输入接收信号。如果该信号为高，则猝灭/复位器件707将导通。如果列启用MOSFET 705和猝灭/复位器件707都导通，则这将导致雪崩电流被猝灭/复位。

像素701包括MOSFET器件709、711，MOSFET器件709、711被并联布置在VSPADOFF与在SPAD 703和列启用MOSFET 705之间的节点之间。在该示例中，MOSFET器件709、711是PMOS晶体管。MOSFET器件709可以从被标记为列[Y，SPAD]]上拉(COL[Y，SPAD]PULL UP)的输入接收栅极信号。如果列[Y，SPAD]]上拉(COL[Y，SPAD]PULL UP)为低，则MOSFET器件709将导通并且将来自SPAD 703的输出信号上拉。这可以禁用像素701。MOSFET器件711可以从被标记为行[X]上拉(ROW[X]PULL UP)的输入接收栅极信号。如果行[X]上拉(ROW[X]PULL UP)为低，则MOSFET器件711将导通并且将来自SPAD 703的输出信号上拉。这可以禁用像素701。来自MOSFET 709、711的输出馈送到串联布置的一对CMOS反相器中713、715。两个串联CMOS反相器713、715形成缓冲器。

缓冲器的输出连接到像素输出电路717的复用器719。像素输出电路717可以由具有相应的SPAD的两个像素701共享。在其他示例中，像素输出电路717可以被两个以上的像素701共享。复用器719具有来自另一像素701的缓冲器的输出的第二输入。复用器719具有来自被标记为行[X]选择(ROW[X]SELECT)的输入的选择输入，该选择输入将确定复用器719将转发哪个输出。复用器719的输出被输入到AND门721、723。AND门721、723各组具有来自被标记为列[Y，SPAD]时间门(COLUMN[Y，SPAD]TIME GATE)的输入的第二输入。AND门721还具有来自脉冲整形器725的输入。AND门721和脉冲整形器725形成集成的时间门和脉冲整形器。

AND门721输出到至时间数字转换器的OR树。AND门723输出到至计数器的OR树。由计数器提供的值表示由相应的SPAD收集的光子。

来自AND门723的次级输出被提供给监测计数器，其可以与动态启用/禁用方案匹配。监测计数器允许检查SPAD在其上是否具有过多光照。在这种情况下，SPAD可能恒高(stuck high)，并且始终输出“1”(高输出)。脉冲整形器725始终向OR树输出“0”，因此，没有脉冲整形器725的AND门723被配置为确定SPAD是否处于非常高的光照情况下下。

图9示意性地示出了类似于图8中描述的电路800。电路800具有像素806，其包括SPAD 801、列启用MOSFET 803、行启用MOSFET805和猝灭/复位器件807。SPAD 801、列启用MOSFET 803、行启用MOSFET 805和猝灭/复位器件807被串联布置在VHV(即电源)与地之间。SPAD 801可以检测光子并触发雪崩电流。在该示例中，列启用MOSFET 803、行启用MOSFET805和猝灭/复位器件807是NMOS晶体管。在其他示例中，可以使用任何其他合适的晶体管或开关。列启用MOSFET 803可以从被标记为SPAD_COL_EN_GO2的输入接收栅极信号。行启用MOSFET 805可以从被标记为SPAD_ROW_EN_GO2的输入接收栅极信号。列启用MOSFET 803可以以与图7所述类似的方式起作用。行启用MOSFET 805可以以与列启用MOSFET 803类似地起作用。猝灭/复位器件807可以从被标记为VRECHARGE的输入接收栅极信号。猝灭/复位器件807可以以与图7所述类似的方式起作用。

在实施例中，像素电路装置的该配置允许SPAD/像素的单个行激活。因此，SPAD可以被启用或禁用来遮罩高DCR器件。一旦在阵列中标识出高DCR SPAD，则对应的行控制器和列控制器就可以选择性地禁用该高DCR SPAD。在其他示例中，可以基于其他度量来启用或禁用SPAD。在一些示例中，这允许像素的动态启用/禁用以管理激光器发射定时中的动态范围。开启SPAD可以意味着更多的SPAD雪崩，并且因此意味着更多的SPAD事件。关闭SPAD可以意味着更少的SPAD雪崩，并且因此意味着更少的SPAD事件。因此，开启更多的SPAD允许更高的信号，并且关闭SPAD允许更小的信号，这给出了相对较高的动态范围(信号计数)。通过动态地改变开启或关闭的SPAD，可以在相对较大范围上控制信号速率。

在一些示例中，该像素配置允许所有像素中的所有晶体管的全面测试以进行自动测试。例如，可以在不使用任何SPAD的情况下执行像素的所有电气测试。

像素806包括MOSFET器件809、811，MOSFET器件809、811被并联布置在AVDD(即电源)与在SPAD 801和列启用MOSFET 803之间的节点之间。在该示例中，MOSFET器件809、811是PMOS晶体管。MOSFET器件809可以从被标记为SPAD_ROW_EN_GO2的输入接收栅极信号。如果SPAD_ROW_EN_GO2为低，则MOSFET器件809可以导通并且将来自SPAD 801的输出信号上拉。MOSFET器件811可以从被标记为SPAD_COL_EN_GO2的输入接收栅极信号。如果SPAD_COL_EN_GO2为低，则MOSFET器件811可以导通并且将来自SPAD 801的输出信号上拉。来自MOSFET器件809、811的输出馈送到串联布置的一对反相器813、815。该两个串联的反相器813、815形成缓冲器。来自缓冲器的输出连接到复用器817的输入。到复用器817的另一输入从相邻行的像素被接收。因此，复用器817可以被认为是共享的复用器。在该示例中，复用器817被两个像素共享。在其他示例中，复用器817可以被更多的像素共享。复用器具有来自被标记为SPAD_SEL_PS_INPUT_GO1的输入的选择输入。SPAD_SEL_PS_INPUT_GO1信号将确定选择哪个复用器输入进行输出。

复用器817的输出连接到脉冲整形器819。脉冲整形器819可以被启用以对由SPAD801生成的脉冲进行重新整形。脉冲整形器819可以被配置为在正常操作模式下对来自SPAD801的输出整形，并且在校准操作模式下对校准信号整形。对于给定的SPAD计数率，脉冲整形器819可以用于缩短脉冲长度并减小堆积的影响。输入信号SPAD_PSINPUT_GO1将被像素整形器819缩短或截断，以产生被标记为SPAD_PS_SLEW_GO1的有用输出信号。复用器817的输出也连接到AND门821、823的输入。到AND门821、823的第二输入从被标记为SPAD_COLLEGIC_EN_GO1的输入而被接收。AND门821的输出(SPAD_PIX_TDC_OUT_GO1)连接到堆积NOR树825。在其他示例中，这可以是堆积OR树。堆积NOR树825的NOR门中的每个NOR门连接到NAND门827。每个NAND门连接到OR门829的输入。AND门823的输出(SPAD_PIX_PILEUP_OUT_GO1)连接到堆积NOR树831。在其他示例中，这可以是堆积OR树。堆积NOR树831的NOR门中的每个NOR门连接到NAND门833。每个NAND门连接到OR门835的输入。

在一些应用(诸如光学通信或光检测和测范围(LIDAR))中，设备同时包括光发射器和SPAD检测器。光发射器可以例如是垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。其他实施例可以使用其他合适的光源。

在LIDAR系统的示例中，光可以由VCSEL发射。当发射的光到达设备的视场内的目标时，光的一部分可以被反射回SPAD检测器。如果施加到SPAD的电压太低，则无法确定是否由于SPAD被不恰当地偏置而导致没有光被接收，还是在视场内没有目标。

应当理解，在上述实施例中的各种晶体管的使用只是这种可能的设备的示例的一种。本领域技术人员将理解，可以使用任何其他合适的晶体管。例如，可以使用p型FET代替n型FET等。应当理解，备选地或附加地，可以使用不同类型的晶体管，诸如双极型晶体管或MOSFET。

可以在利用SPAD的任何设备或装置中实施上述装置。例如，上述装置和方法可以被实施在LIDAR系统中。应当理解，该非限制性实施方式仅是示例性的，并且可以以其他光检测应用的任何方式来实施该装置和方法。

应当理解，上述布置可以至少部分地由集成电路、芯片组、封装在一起或在不同封装中的一个或多个裸片、分立电路装置或这些选项的任意组合来实施。

上面已经描述了具有不同变化的各种实施例。应当注意，本领域技术人员可以组合这些各种实施例和变型的各种元素。

这样的变更、修改和改进旨在成为本公开的一部分，并且旨在落入本公开的范围内。因此，前面的描述仅作为示例，并且不旨在进行限制。

可以将上述各种实施例组合以提供另外的实施例。可以根据以上详细描述对实施例进行这些和其他改变。通常，在权利要求中，所使用的术语不应当被解释为将权利要求限制为说明书和权利要求中公开的特定实施例，而应当被解释为包括所有可能的实施例以及赋予这些权利要求的等同物的全部范围。因此，权利要求不受公开内容的限制。

Claims

1.一种传感器，包括：

多个像素，被布置在多个行和多个列中；

行控制电路装置，选择性地控制所述行中的哪一个行被激活；以及

列控制电路装置，选择性地控制所激活的所述行中的所述像素中的哪个像素要被激活，所述列控制电路装置包括存储器，所述存储器被配置为存储指示所述像素中的哪些像素有缺陷的信息，其中所述像素中的每个像素包括光电二极管和被配置为控制所述光电二极管的激活的多个晶体管，所述多个晶体管包括第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管被配置为至少部分地基于所述存储器由来自所述列控制电路装置的列启用信号控制，所述第二晶体管被配置为由来自所述行控制电路装置的行选择信号控制。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述光电二极管包括单光子雪崩二极管。

3.根据权利要求1所述的传感器，其中所述行控制电路装置被配置为根据所述行选择信号向所激活的所述行中的所述像素中的每个像素提供控制信号，所述控制信号被配置为控制每个相应的像素中的所述光电二极管的猝灭。

4.根据权利要求3所述的传感器，其中当提供给所述像素的所述第一晶体管的所述列启用信号也为高时，所述控制信号将仅使每个相应的像素中的所述光电二极管猝灭。

5.根据权利要求1所述的传感器，其中所述存储器被配置为输出所述列启用信号。

6.根据权利要求1所述的传感器，其中所述存储器包括状态机、连接到所述状态机的缺陷存储器以及活动存储器，其中所述缺陷存储器将指示所述多个像素中的哪些像素有故障，并且其中所述活动存储器限定在给定的读取操作中所述多个像素中的哪些像素是活动的。

7.根据权利要求1所述的传感器，其中对于每个像素，所述像素的所述多个晶体管包括列禁用晶体管，其中当所述列启用信号为低时，所述列禁用晶体管将导通，并且所述第一晶体管将不导通，这将跨所述像素中的所述光电二极管的电压减小到击穿电压以下。

8.根据权利要求1所述的传感器，其中对于每个像素，所述像素的所述多个晶体管包括行禁用晶体管，所述行禁用晶体管被配置为如果所述行选择信号为高，则导通，这将跨所述像素中的所述光电二极管的电压减小到击穿电压以下。

9.根据权利要求1所述的传感器，其中所述多个像素中的所述像素中的每个像素包括缓冲器，所述缓冲器包括串联布置的两个反相器。

10.根据权利要求1所述的传感器，其中所述传感器包括多个光子计数电路，所述多个光子计数电路被配置为对由所述多个像素中的每个像素检测到的光子进行计数。

11.根据权利要求10所述的传感器，其中所述多个光子计数电路中的每个光子计数电路由所述多个像素中的所述像素中的两个或多个像素共享。

12.根据权利要求1所述的传感器，其中所述行控制电路装置被配置为一次激活像素的单个行，使得行激活能够是顺序的或者所述行激活能够是随机的。

13.根据权利要求1所述的传感器，其中所述多个晶体管包括MOSFET晶体管。

14.根据权利要求12所述的传感器，其中对于每个像素：

所述像素的所述多个晶体管包括列禁用晶体管，其中当所述列启用信号为低时，所述列禁用晶体管将导通，并且所述第一晶体管将不导通，这将跨所述像素中的所述光电二极管的电压减小到击穿电压以下；并且

所述像素的所述多个晶体管包括行禁用晶体管，所述行禁用晶体管被配置为如果所述行选择信号为高，则导通，这将跨所述像素中的所述光电二极管的电压减小到所述击穿电压以下。

15.一种方法，包括：

利用行选择信号控制布置在多个列中的像素的多个行中的哪一个行被激活，其中所述像素中的每个像素包括光电二极管和被配置为控制所述光电二极管的激活的多个晶体管；

存储指示所述多个像素中的哪些像素有缺陷的信息；以及

至少部分地基于所存储的所述信息，利用列启用信号来控制所激活的所述行中的所述像素中的哪一个像素要被激活。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：

所述行控制电路装置根据所述行选择信号向所述像素中的每个像素提供控制信号；以及

基于所述控制信号并且基于提供给所述多个像素中的所选择的像素的第一晶体管的所述列启用信号，猝灭所述所选择的像素中的所述光电二极管。

17.根据权利要求15所述的方法，其中所述存储器输出所述列启用信号。

18.一种传感器，包括：

多个像素，被布置在多个行和多个列中，其中所述像素中的每个像素包括单光子雪崩二极管和被配置为控制所述单光子雪崩二极管的激活的多个晶体管，所述多个晶体管包括第一晶体管；

行控制电路装置，被配置为利用分别耦合到所述像素的控制端子的行选择线来选择性地控制所述行的激活；以及

列控制电路装置，选择性地控制所激活的行中的所述像素中的哪个像素要被激活，所述列控制电路装置包括存储器，所述存储器被配置为存储指示所述多个像素中的哪些像素有缺陷的信息，其中所述列控制电路装置被配置为：基于所述存储器中的所述信息，通过将列禁用信号发送到所激活的所述行中的缺陷像素的所述第一晶体管，来禁用所述缺陷像素。

19.根据权利要求18所述的传感器，其中每个像素的所述多个晶体管包括第二晶体管，并且所述列控制电路装置被配置为：基于所述存储器中的所述信息，通过向所激活的所述行的所选择的像素的所述第二晶体管发送列启用信号，来激活所述所选择的像素。

20.根据权利要求19所述的传感器，其中每个像素的所述多个晶体管包括第三晶体管，并且所述行控制电路装置被配置为向所激活的所述行的所述像素中的每个像素的所述第三晶体管提供行控制信号，所述第二晶体管和所述第三晶体管被配置为分别基于所述列启用信号和所述行启用信号来控制所述所选择的像素的猝灭。