CN113489923B - 使用tft像素电路的光学有源像素传感器 - Google Patents

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Abstract

用于光学有源像素传感器(APS)的单元包括光电二极管，该光电二极管的第一端子连接到光电二极管偏置PDB线，第二端子与第一端子相对；第二端子与第一端子相对；复位开关晶体管，其第一端子连接到光电二极管的第二端子，第二端子连接到参考电压线，并且该复位开关晶体管的栅极连接到复位信号RST供给线；放大晶体管，其第一端子连接到输出读出线，第二端子连接到驱动电压供给线，并且放大晶体管的栅极连接到构成光电二极管的第二端子和复位开关晶体管的第一端子的连接的节点。光学APS设备包括由以行和列的阵列排列的根据任何实施例的多个单元形成的传感器矩阵。

Description

使用TFT像素电路的光学有源像素传感器
技术领域
本申请涉及光学有源像素传感器(APS)，并且更具体地涉及单元像素电路和包括这种单元的阵列的相关的光学APS。
背景技术
光学传感器被用于各种应用中，通过该应用，基于由传感器检测到的光量来确定参数，设备特性或状态。光学传感器具有许多应用，例如在成像，x射线检测(将x射线转换为可见光以进行检测)，位置检测，光电检测等方面。在显示器和安全性领域中的一种当前用法是用于身份认证的指纹识别，例如用于解锁手机。
一种类型的光学传感器是无源光学传感器，其简单整合有将光转换成电子输出信号的光传感器，该电子输出信号可由合适的读取设备直接读取。但是，在许多应用中，通过使用有源传感器可实现增强的性能，该有源传感器会对来自光传感器的输出信号进行某种类型的信号处理，通常是信号放大。对于有源感测，可以采用有源像素传感器(APS)。光学APS装置由光敏单元像素电路的阵列或矩阵形成，由此每个单元像素电路包括独立的光传感器部件，例如光敏光电二极管，其耦合至放大电路部件。驱动器集成电路(驱动器IC)提供输入控制信号和驱动电压，用于行选择和感测，数据读取器集成电路(数据读取器IC)从单元的传感器矩阵中读取信号。如本文所指并且在本领域中是已知的，数据读取器IC也可以被称为模拟前端(AFE)。
在常规配置中，已经在单元像素电路中使用CMOS硅晶体管制造APS器件。CMOS晶体管体积小(可能约为纳米级)并且具有高性能，但是制造起来很昂贵。CMOS晶体管通常生长在半导体晶圆上，因此通常需要共用的半导体背衬底和/或共用的外延阱。典型的基于CMOS的光学APS电路采用三个或更多晶体管。一种最成功的架构采用光电二极管，四个晶体管，一个电容器和一个势阱，以提供放大和控制复位噪声(APS架构中最常见的噪声源之一)。在CMOS技术中，如此大量的组件是可能的，这主要是由于CMOS晶体管的尺寸很小。
本领域中已知的替代晶体管类型是薄膜晶体管(TFT)。多个TFT可以容易地制造在玻璃或类似的基板上，因此与CMOS硅技术相比，它便宜且易于在玻璃上制造大型TFT阵列。因此，TFT已经在采用像素电路阵列的技术中找到应用，包括例如高分辨率LCD和发射显示器中的像素电路阵列。
但是，TFT具有某些缺点，阻碍在APS设备中的使用。与CMOS晶体管相比，TFT倾向于具有较低的载流子迁移率，并且尺寸较大(通常为微米级)。因此，常规的APS单元拓扑结构将需要大的单元，对传感器密度有不利的影响。因此，在APS设备领域中还没有实现与TFT相关联的低成本和容易在玻璃上制造的优势。
发明内容
本申请涉及一种增强型光学有源像素传感器(APS)，其在单元像素电路中有效地使用薄膜晶体管(TFTs)。本申请的实施例包括单元像素电路拓扑结构，该单元像素电路拓扑结构包括两个晶体管配置，以放大由光敏光电二极管产生的输出感测信号。不需要额外的电容器。通过将单元配置限制为仅两个TFT晶体管，同时仍然实现有效的感测，在APS设备中实现与TFTs相关联的低成本和容易在玻璃或类似的衬底上制造的优势。
在示例性实施例中，光学APS包括互连的单元的矩阵，由此每个单元构成所述矩阵内的像素。通常，所述单元像素电路包括光传感器，控制线和信号线以及用于增强传感器输出的电路，该电路包括用于像素选择和放大所述输出信号的双晶体管配置。驱动器IC通常沿第一方向(例如，按矩阵的行)向所述单元矩阵提供适当的控制信号。模拟前端(AFE)IC通常沿第二方向(例如，矩阵的列)读取和处理所述单元的所述输出信号。
在示例性实施例中，所述双晶体管单元配置包括光电二极管，该光电二极管具有连接至光电二极管偏置线的第一端子(例如，阳极)和与第一端子相对的第二端子(例如，阴极)。所述单元还包括第一开关晶体管，也称为复位开关晶体管，其第一端子连接到光电二极管的第二端子(阴极)，第二端子连接到通常接地的参考电压线。所述复位开关晶体管的栅极连接到复位信号供应线RST。所述单元还包括第二晶体管，也称为放大晶体管，第二晶体管的第一端子连接至至AFE的输出线，第二端子连接至驱动电压供给线。所述放大晶体管的栅极连接到构成光电二极管的第二端子(阴极)和复位开关晶体管的第一端子的连接的节点。
所述单元的操作如下。当所述RST线为高电压时，所述复位晶体管处于导通状态，并且所述光电二极管阴极电连接至参考电压(接地)。当所述RST线为低电压时，所述复位晶体管处于截止状态，所述光电二极管阴极不接地。所述放大晶体管被配置为源极跟随器，其栅极连接至所述光电二极管阴极，其漏极连接至所述驱动电压供应线，其源极直接连接至所述输出线。通常，所述单元具有三个操作阶段：复位，光感测和读出，尽管在三个阶段的阶段之间或周期之间也可能存在一些死区时间，此时所述单元无操作。
在所述复位阶段，所述驱动器IC设置所述RST线为HI，并且所述复位晶体管M1导通，从而将所述光电二极管阴极电连接至所述参考电压(接地)。所述光电二极管阳极连接到所述光电二极管偏置线(PDB)，其为LO。所述LO电位相对于所述参考电压为负，因此所述光电二极管被反向偏置。在所述复位阶段，所述光电二极管的内部电容会充电。所述RST脉冲的持续时间Δt0优选为足够长，以便对所述光电二极管电容进行完全充电，使得就在所述复位阶段结束时RST的下降末尾之后，所述光电二极管电容已经完全充电。所述光电二极管阳极连接到所述LO光电二极管参考线，而所述光电二极管阴极连接到放大晶体管的栅极。以这种方式，所述光电二极管与所述参考电压隔离。
在所述光感测阶段，所述光电二极管吸收光，所述光电二极管的电容放电量与接收到的所述入射光的所述照度成正比。随着所述光电二极管放电，所述放大晶体管的所述栅极处的所述栅极电势VGATE朝着所述阳极电势下降，所述阳极电势处于LO位置，该LO对应于所述光电二极管偏置线上的所述电压。最终的VGATE电势取决于在感测阶段入射在所述光电二极管上的光的所述量。所述照度越高，所述VGATE越靠近所述光电二极管偏置线上的所述LO电压。
在所述读出阶段，所述光电二极管偏置电压设置为HI。由于所述复位晶体管截止，并且没有电流流过所述放大晶体管栅极，因此所述电势VGATE上升(PDB/HI-PDB/LO)。调整PDBHI，以使读出时的VGATE大于所述放大晶体管的Vth。因此，所述放大晶体管将电流流向AFE。这样的电流量是(VGATE-Vth)的函数，又与所述光电二极管在所述光感测阶段接收的所述入射光的所述照度成正比。所述AFEIC在所述读出阶段从所述放大晶体管读取所述输出信号，并且所述AFE将输出信号转换为数字信号。在所述读出阶段结束时，VGATE再次降至Vth以下，因此所述放大晶体管截止。所述读出操作是无损的，即所述光电二极管电荷不受读出操作的影响。
在示例性实施例中，所述单元还可以操作以执行附加的复位噪声消除操作。如本领域中已知的，与APS单元相关的一个重要问题是当单元被复位为初始参考状态时，在所述复位阶段会引入噪声。两晶体管TFT单元配置的无损读出功能的一个优势是补偿复位噪声的能力。在所述复位阶段，所述复位晶体管的行为类似于电阻，并且所述复位晶体管的热噪声作为随机值存储在所述光电二极管电容中。可以通过相关的双采样消除这种噪声，这是由于读出操作对光电二极管电容的无损性而被允许的。首先，如上所述，对于所述复位阶段，将所述光电二极管复位。在所述复位阶段之后，在所述光感测阶段之前，第一次读取所述光电二极管，并将包含复位噪声信号的所述光电二极管输出V1＝(Vsignal1+Vnoise)存储在外部存储器中。然后所述单元继续在所述光感测和读出阶段中操作，并且在所述读出阶段中，第二次读出具有光电二极管输出V2＝(Vsignal2+Vnoise)的光电二极管。由于在相同的输入条件下读出V1和V2，因此V1和V2共享相同的复位噪声值Vnoise。因此，电子减法(V2-V1)得出的读数值不受所述复位噪声的影响，从而提高了信噪比(SNR)。
本发明的另一方面是一种光学APS设备，其包括传感器矩阵，所述传感器矩阵由以行和列的阵列布置的根据任一实施例的多个单元形成。APS设备还可以包括连接到所述传感器矩阵的驱动器IC，该驱动器IC将复位信号提供给传感器矩阵的复位晶体管，并且将所述光电二极管偏置信号提供给所述传感器矩阵的光电二极管。APS设备还可包括连接到传感器矩阵的模拟前端(AFE)，所述模拟前端读取并处理从传感器矩阵的输出读出线输出的输出读出信号。
为了实现前述和相关目的，本发明则包括在下文中充分描述并且在权利要求中特别指出的特征。以下描述和附图详细阐述了本发明的某些说明性实施例。然而，这些实施例仅指示可以采用本发明的原理的各种方式中的几种。当结合附图考虑时，根据本发明的以下详细描述，本发明的其他目的，优点和新颖特征将变得显而易见。
附图说明
图1是描绘光学APS设备的操作部分的框图的图。
图2是描绘根据本申请的实施例的在光学APS设备中使用的示例性单元像素电路配置的图。
图3是描绘与图2的单元的操作相关联的时序图的图。
图4是描绘根据本申请的实施例的光学APS设备的图，其包括图2的单元的阵列。
图5是描绘与图4的APS设备的操作相关联的时序图的图。
图6是描绘与图2的单元的操作相关联的替代时序图的图，还示出复位噪声消除操作。
图7A是描绘在单元矩阵和AFE之间采用接口电路的光学APS装置的变形例的图，图7B是描绘单元的接口电路的实施方式的图。图8是描绘根据本申请的实施例的包括光学APS设备的示例性显示系统的操作部分的图。
具体实施方式
参考附图说明本申请的实施例，其中全文使用相同的附图标记表示相同的元件。可以理解，附图不一定按比例绘制。
本申请涉及一种增强的光学有源像素传感器(APS)，其有效地在单元像素电路内采用薄膜晶体管(TFTs)。本申请的实施例包括单元像素电路拓扑，其结合了两个晶体管TFT配置以放大由光敏光电二极管产生的输出感测信号。通过将单元配置限制为仅有两个TFT晶体管，同时仍能实现有效感测，以在APS设备中实现了与TFTs相关联的低成本和容易在玻璃或类似的衬底上制造的优势。
图1是描绘示例性光学APS设备10的操作部分的框图的图。通常，光学APS10包括由互连的单元12的矩阵形成的传感器，由此每个单元构成矩阵内的像素。单元矩阵12可以被配置为以K行×N列排列的单元的二维阵列，其中K和N为至少为一的正整数。可以采用适合于任何特定应用的任何适当数量的行和列。如下面进一步详细描述的，每个单元像素电路包括光传感器，控制线和信号线，以及用于增强传感器输出的电路，包括用于像素选择和输出信号放大的两晶体管配置。在下面进一步详细描述的示例性实施例中，两个晶体管是TFT晶体管。APS10还包括驱动器IC14，该驱动器IC14通常沿着第一方向(例如，如图1所示，沿矩阵的行)向单元矩阵12提供适当的控制信号。APS10还包括模拟前端(AFE)IC16，通常沿第二方向(例如，如图1所示，沿矩阵的列)读取和处理单元的读出输出信号。
图2是描绘根据本申请的实施例的在光学APS设备中使用的示例性单元像素电路20配置的图。单元20采用如上所述的两晶体管配置。在示例性实施例中，单元20包括光电二极管22，其具有连接至光电二极管偏置线PDB的第一端子(例如，阳极)和与第一端子相对的第二端子(例如，阴极)。单元还包括第一开关晶体管M1，也称为复位开关晶体管，其第一端子连接到光电二极管22的第二端子(阴极)，第二端子连接到可以接地GND作为合适的参考电压电平的参考电压线。复位开关晶体管M1的栅极连接到复位信号供给线RST。单元还包括第二晶体管M2，第二晶体管M2也被称为放大晶体管，第二晶体管M2的第一端子连接到到AFE的输出读出线，第二端子连接到驱动电压供应线Vdd。放大晶体管M2的栅极连接到构成光电二极管的第二端子(阴极)和复位开关晶体管M1的第一端子的连接的节点。在该节点处放大晶体管M2的栅极处的电压在图2中表示为VGATE。
在优选的实施例中，为了降低成本并提高制造APS的便利性，晶体管M1和M2为薄膜晶体管(TFTs)。可以使用本领域常规的TFT制造工艺来制造TFTsM1和M2。作为该制程的一部分，单元20可以设置在诸如玻璃基板的基板上，该基板是对于APS设备的合适的基板材料。也可以采用在TFT制造领域中使用的塑料和金属基板。这样的衬底与用于CMOS器件的衬底的不同之处在于，与用于CMOS器件的硅相反，TFT衬底材料不是单晶的，而CMOS器件中使用的硅使得CMOS器件的制造成本更高。
TFTs可以是金属氧化物晶体管，例如铟镓锌氧化物(IGZO)晶体管。这样的晶体管通常是n型晶体管，由此将相对于源极的高电压施加到晶体管栅极以将晶体管置于导通状态，将相对于源极的低电压施加于晶体管栅极以将晶体管置于截止状态。
单元的操作如下。通常，当复位RST线为高电压时，复位晶体管M1处于导通状态，并且光电二极管阴极电连接至接地GND(或其他合适的参考电压)。当复位RST线具有低电压时，复位晶体管M1处于截止状态，并且光电二极管阴极与接地GND电分离。放大晶体管M2被配置为源极跟随器，其栅极连接至光电二极管阴极，其漏极连接至驱动电压供应线Vdd，并且其源极直接连接至最终将单元20的输出信号提供给AFE的输出线。
图3是描绘与图2的单元的操作相关联的时序图的图。通常，单元具有三个操作阶段：复位、光感测和读出阶段，尽管在三个操作阶段的周期之间也可能存在一些死区时间和/或单元不执行的周期间延迟。在图3的时序图中，横轴表示时间T，纵轴表示复位信号RST、光电二极管偏置电压PDB和放大晶体管M2的栅极电压VGATE相对于单元的相对电压电平，如下所述。
参考图3的时序图，结合图2所示的单元电路拓扑，在复位阶段的开始(图3中用Δt0表示)，驱动器IC设置RST线为HI，复位晶体管M1为导通状态。在M1导通的情况下，光电二极管阴极电连接到参考电压，该参考电压可以如图所示接地GND，从而将放大晶体管M2的栅极处的栅极电压VGATE相应地设置为接地。
光电二极管阳极连接到光电二极管偏置线PDB，该偏置线在复位阶段为LO。PDBLO电势相对于参考电压(例如，接地GND)为负，因此光电二极管22被反向偏置。PDBLO的精确电压值可以调整以获得最佳性能，以提供足够的反向偏置而不会损坏光电二极管；对于典型的光电二极管，当参考电压接地时，合适的PDBLO电位约为-10V。反向偏置配置会使光电二极管像电容器一样工作，并且在复位阶段，光电二极管的内部电容会充电。RST脉冲的持续时间Δt0优选地足够长，以使光电二极管电容完全充电。在复位阶段结束时，RST切换为LO，以关闭复位晶体管。因此，在复位阶段结束时，在RST的下降的末尾，光电二极管电容已基本充满电。因为光电二极管的阳极连接到LO光电二极管的基线，并且光电二极管的阴极连接到放大晶体管M2的栅极，所以当RST在复位阶段的末尾切换为低电平时，光电二极管22与接地GND隔离，因为复位晶体管M1截止。
接下来，单元20可在光感测阶段中操作，在图3中用Δt1表示。在光感测阶段Δt1中，入射光被光电二极管22吸收，并且光电二极管电容以与光电二极管22接收的入射光的照度成比例的量进行内部放电。当光被光电二极管22吸收时，产生电子/空穴对，电子/空穴对的产生水平与入射光的照度或强度成比例。光电二极管内的内部电容放电是通过电子迁移到正阴极，空穴迁移到负阳极而发生的，其中电子和空穴分别被中和，从而使光电二极管的内部电容放电。因此，进而电容放电的程度也与光电二极管22接收的入射光的照度成比例。
当光电二极管22放电时，放大晶体管M2的栅极处的栅极电势VGATE被下拉至由光电二极管偏置线所决定的阳极电势，该阳极电势在光感测阶段期间保持在PDB LO处。在图3中，实线和虚线表示单元对入射光的两种不同相对照度的响应。在光感测阶段结束时的最终VGATE电势取决于在感测阶段期间入射在光电二极管22上的光的量或照度(强度)。通常，放大晶体管的栅极电压以与入射光的照度成比例的量被拉向PDB。例如，对于相对较高的入射光照度，VGATE在光电二极管偏置线上的LO电压下降得更多，如图3中的实线所示，这是因为更多的电子和空穴被中和以便于内部光电二极管电容电荷更多的放电。相反，对于相对较低的入射光照度，VGATE在光电二极管偏置线上的LO电压下降得更低，如图3中的虚线所示，这是因为较少的电子和空穴被中和了，从而减少了内部光电二极管电容电荷的放电。如图3所示，VGATE在光感测级Δt1期间始终为负。因此，放大晶体管M2可以配置为使得放大晶体管M2的阈值电压大于零，即M2Vth≥0并且，在感光期间，VGATE＜Vth，因此放大晶体管M2在感光期间Δt1成为截止状态。
如果M2的VGATE在Δt1结束之前达到PDB LO，则单元将“饱和”，并且不可能量化入射在光电二极管22上的任何额外光量。可以通过有选择地设置PDB LO的电压电平以及光感测阶段的持续时间Δt1来避免光电二极管的饱和，从而避免这种情况。在如上所述的大约-10V的PDBLO的示例中，作为示例用法，用于指纹感测的Δt1的合适持续时间可以长达几十或几百毫秒。通常，对于高照度应用，可以缩短Δt1以防止饱和，同时仍然实现完全光电二极管电容充电；对于低照度应用，可以延长Δt1，因为完全光电二极管电容充电可以实现且不会饱和。
接下来，单元20可在读出阶段中操作，在图3中表示为Δt2。在读出级Δt2期间，将光电二极管偏置电压设置为PDBHI。通常，PDBHI的电平应足以将放大晶体管M2的栅极处的电压VGATE升高到超过放大晶体管M2的阈值电压Vth，从而足以使放大晶体管M2导通。读出阶段的状态。在上面给出的示例中，PDBLO设置为-10V，PDBHI的合适电平为+2-3V。
由于在读出阶段复位晶体管M1保持截止状态，因此没有电流流向放大晶体管M2的栅极，因此放大晶体管M2的栅极处的电位VGATE上升了(PDB/HI-PDB/LO)。如上所述，PDB HI被设置为使得在读出阶段期间的VGATE大于放大晶体管M2的Vth。因此，放大晶体管M2在读出阶段处于导通状态，并将电流从输出线流向AFE IC。从驱动电压供应线Vdd提供电流，并且通过M2的电流量是(VGATE-Vth)的函数，其又与光电二极管在光感测阶段接收到的入射光的照度成正比。AFE IC在读出阶段读取来自放大晶体管M2的输出信号，然后AFE将输出信号转换为数字信号，数字信号又与放大晶体管的栅极电压的如下所示的光照度成比例。因此，基于输出的读出信号，可以确定入射光的照度。在读出阶段的末尾，光电二极管偏置线上的电压被切换回PDB LO，因此VGATE再次降至Vth以下，从而使放大晶体管M2截止。在光电二极管电荷不受读取操作影响的意义上，读取操作是无损的。
如图3所示，在重复感应周期之前，即在给定周期的读出阶段的结束和下一周期的复位级之间，单元不工作的周期间延迟时间Δt3的特定时间段可能会失效。当按行执行读出操作时，这种周期间延迟特别合适。在保证与外部系统同步(包括与驱动器IC和/或AFEIC同步)的阶段之间的周期内，可以插入单元物操作的其死区时间周期。
上述的双TFT配置具有优于常规CMOS配置的优势。双TFT设计得益于对光电二极管两个端子的独立访问。通常，这在CMOS配置中是不可能的或不可行的，由于共享的体半导体区域或公共的外延层。
单元的灵敏度可以通过增大(或减小)光感测间隔Δt1来增大(或减小)。另外，PDBHI设置VGATE的最大值。PDBHI的低(或高)的值可提高低(或高)照明下的灵敏度。但是，PDBHI值必须与放大TFT操作区域兼容，否则TFT可能会饱和(PDBHI太高)或过早截断(PDBHI太低)。
图4是描绘根据本申请的实施例的光学APS设备30的图，其包括对应于如图2中代表性地示出的任何实施例的单个单元20的阵列。因此，每个单元20包括如上面结合图2所述的双晶体管配置，晶体管优选为TFT晶体管。
单个单元20的阵列构成类似于上面结合图1识别的矩阵12的传感器矩阵32。单元的传感器矩阵32被配置为布置成K行N列的单元的二维阵列，其中K和N是至少为1的正整数。图4示出了K×N传感器单元矩阵，并且可以采用适合于任何特定应用的任何适当数量的行和列。APS设备30还包括驱动器IC34，其向单元矩阵32提供适当的控制信号，包括至复位晶体管的复位RST信号和到传感器矩阵的单元的光电二极管的光电二极管偏置PDB信号。这样的信号通常沿着第一方向输入，例如通过如图4所示的单元矩阵32的Row(K)输入。APS设备30还包括模拟前端(AFE)IC36，通常沿着第二方向(例如通过如图4所示的矩阵32的列(N))从读取线读取和处理单元的输出读出信号。在图4的示例中，参考电压供应线(例如，接地GND电源线)沿第一方向例如水平取向，并且驱动电压电源线Vdd沿垂直于第一方向的第二方向例如垂直取向，但是该些线的任何合适的构造都可以被采用。具有Vdd垂直线的GND水平线可有效平衡器件中水平和垂直线的数量。
图5是描绘与图4的APS设备的操作相关联的时序图的图。类似于图3的时序图，在图5中，横轴表示时间T，纵轴表示时间T、施加到APS设备的输入控制信号RST和PDB的相对电压电平。在该示例中，复位RST信号和光电二极管偏置PDB信号以上面结合图3所描述的方式针对每个单元一次施加于一行。可以在扫描操作中施加RST和PDB信号，通过该操作将给定行的RST信号脉冲化到接近于前一行RST脉冲的下降的末尾。图5的垂直虚线表示不同行的时间相邻的PDB信号的分离区域。读取线由每一列的单元共享，因此，期望不同行的时间相邻的PDB HI脉冲没有重叠，如图5中的垂直虚线所示。相比之下，不同行的RST信号的重叠，对输出信号没有影响，因此，如果需要进行特定的实施，则可以允许这种重叠。
图6是描绘与图2的单元的操作相关联的替代时序图的图，其是图3的时序图的变形，其还包括附加的复位噪声消除操作。如本领域中已知的，与APS单元相关的一个重要问题是当单元被复位为初始参考状态时，在复位阶段会引入噪声。两晶体管单元配置的无损读出能力的优点在于，读出操作不影响光电二极管的电荷，该优点是通过执行复位噪声消除操作来补偿复位噪声的能力。在复位阶段，复位晶体管M1的行为类似于电阻，并且复位晶体管的热噪声作为随机值存储在光电二极管电容中。该噪声可以通过相关的两次采样消除，该二次采样通过在光感测阶段之前和之后两次将单元读出两次，这是由于读出操作对于光电二极管电容的无损性而被允许的。
结合图2的电路图参考图6的时序图，关于复位阶段，如以上结合图3的时序图所述地那样光电二极管被复位。复位阶段在图6中也表示为Δt0。在复位阶段之后和光感测阶段之前，执行第一读出阶段以第一次读出光电二极管，在图6中表示为Δt'2。在此期间，测量包含复位噪声信号的第一光电二极管输出V1＝(Vsignal1+Vnoise)，并将第一光电二极管输出存储在外部存储器中。然后，该单元像上面关于图3的时序图所描述的那样继续在光感测和读出阶段中操作，在图6中也分别表示为Δt1和Δt2。因此，读出阶段Δt2构成第二读出阶段，因此第二次读出光电二极管以测量第二光电二极管输出V2＝(Vsignal2+Vnoise)。由于V1和V2在相同的输入条件下被读出，并且读出操作不会影响光电二极管的电荷(即，读出操作是无损的)，因此V1和V2共享相同的复位噪声值。因此，电子减法(V2-V1)会导致输出的读出信号值不受复位噪声的影响，从而提高了信噪比(SNR)。
复位噪声消除操作有效地执行，而不会对感测性能产生负面影响。为了说明的目的，图3和6的时序图通常不按比例绘制。读出阶段Δt’2和Δt2可以短至几毫秒。如上所述，光感测阶段Δt1的合适的示例持续时间可以在几十或几百毫秒的数量级上。因此，相对于光感测持续时间，PDB脉冲持续时间可以忽略。其结果，由于执行复位噪声消除操作的两次采样读出阶段的结果，在放大晶体管M2的栅极上基本上没有VGATE变化。
图7A是光学APS设备30a的变形例，其在单元矩阵32和AFE36之间采用传感器接口电路40，并且图7B是示出用于所结合的单元的接口电路42的实施方式的图，传感器接口电路40可以被引入传感器接口电路40中。传感器接口电路40可以被用来施加必要的信号调节，以使传感器输出适应于AFE的特定规格。接口电路可以与单元的传感器矩阵在同一基板上实现。在图7B的示例中，单元接口电路42将来自放大晶体管M2的输出电流转换成电压，该电压可以被馈送到需要电压输入而不是电流输入的AFE。在该示例中，单元接口电路42包括转换元件44，该转换元件在该示例中被配置为晶体管。在晶体管实施方式中，读出控制信号RDcol以列为基础施加到转换元件44的栅极，该栅极被输入偏置电压Vss偏置。转换元件的电阻用于将来自M2的读取电流输出信号转换成施加到AFE的电压信号。尽管在该示例中，转换元件44被配置为晶体管，但是可选地，转换元件可以被实施为电阻器以提供转换电阻。
与现有配置相比，使用结合了两晶体管TFT配置的单元像素电路拓扑结构来放大使用光敏光电二极管生成的输出感应信号而具有优势。通过将单元配置限制为仅两个TFT晶体管，同时仍实现有效感测，在APS设备中实现与TFTs相关联的低成本和容易在玻璃或类似的衬底上制造的优势。另外，在不影响光电二极管电荷的情况下，读出操作的无损性允许增强的复位噪声消除操作，以实现更好的整体传感器性能。
为了图示光学APS的非限制性的示例用途，图8是示出了根据本申请的实施例的包括光学APS设备30的示例性显示系统50的操作部分的图。应当理解，图7A的光学APS设备30a也可以作为APS设备被并入显示系统50中。光学APS设备30可以并入连接到显示面板52底部的显示系统50中。显示面板52发射光，该光由接触显示系统50的手指54反射。不同的指纹特征将以不同的方式反射。反射光将穿过显示面板52，该显示面板的一部分对于反射光将是透明的，以允许反射到达光学APS传感器32。在一种示例用法中，APS设备30可用作安全特征来执行用于识别的光学指纹感测，例如以解锁手机。
因此，本发明的一方面是一种用于光学有源像素传感器(APS)的单元，在单元电路中采用TFTs的技术来降低单元的成本和复杂性。在示例性实施例中，具备：光电二极管，具有连接到光电二极管偏置PDB线第一端子及与第一端子相对的第二端子；复位开关晶体管，具有连接到光电二极管的所述第二端子的第一端子、连接到参考电压线的第二端子，且所述复位开关晶体管的栅极连接到复位信号RST供给线；以及放大晶体管，具有连接到输出读出线的第一端子、连接到驱动电压供给线的第二端子，并且所述放大晶体管的栅极连接到构成所述光电二极管的所述第二端子与所述复位开关晶体管的所述第一端子的连接的节点。所述单元可以单独地或组合地包括以下特征中的一个或多个。
在所述单元的示例性实施方式中，所述复位开关晶体管和所述放大晶体管是薄膜晶体管。
在所述单元的示例性实施方式中，所述复位开关晶体管和所述放大晶体管为n型铟镓锌氧化物(IGZO)晶体管。
在所述单元的示例性实施方式中，所述光电二极管的所述第一端子为阳极且所述第二端子为阴极。
本发明的另一方面是一种光学有源像素传感器(APS)，具备：其包括具有多个根据任一实施例的单元并且排列成行和列的阵列的传感器矩阵。所述光学APS可以单独地或组合地包括以下一个或多个特征。
在所述光学APS的示例性实施方式中，所述光学APS进一步包括驱动器IC，连接至所述传感器矩阵，其提供复位信号RST以复位所述传感器矩阵的开关晶体管并且将光电二极管偏置PDB信号提供至所述传感器矩阵的光电二极管；以及模拟前端(AFE)，连接至所述传感器矩阵，所述模拟前端读取并处理从所述传感器矩阵的输出读出线输出的输出读出信号。
在所述光学APS的示例性实施方式中，所述驱动器IC被配置为在所述传感器矩阵的单元的行的基础上提供所述RST和PDB信号，并且所述AFE被配置为在所述传感器矩阵的单元的列的基础上读取所述输出读出信号。
在所述光学APS的示例性实施方式中，还包括连接在所述传感器矩阵与所述AFE之间的接口电路，其中所述接口电路被配置成用于应用信号调节以使所述输出读出信号适配于所述AFE的规格。
在所述光学APS的示例性实施方式中，所述接口电路与所述传感器矩阵位于同一基板上。
在所述光学APS的示例性实施方式中，所述第一电源电压线经由所述第二无机绝缘层与所述数据信号线重叠。
在所述光学APS的示例性实施方式中，所述参考电压供给线沿第一方向排列，所述驱动电压供给线沿垂直于所述第一方向的第二方向排列。
本发明的另一方面是一种显示系统，具备：显示面板；以及任一实施例所述的光学有源像素传感器，其与所述显示面板相邻，所述光学有源像素传感器感测入射到所述显示系统的光。
本发明的另一方面是一种操作光学有源像素传感器的方法。在示例性实施例中，所述方法包括以下步骤：在行和列的传感器矩阵中排列多个单元像素电路，其中所述多个单元中的每个单元在复位阶段，光感测阶段和读出阶段中操作；其中，所述复位阶段包括：施加复位信号RST以导通单元的复位晶体管，以将所述单元的光电二极管的第一端子电连接至参考电压；将光电二极管偏置信号PDB施加到所述光电二极管的第二端子，其中相对于所述参考电压设置PDB，以使所述光电二极管反向偏置并给所述光电二极管的电容充电；在所述复位阶段结束时，切换RST来截止复位晶体管，使所述光电二极管与所述参考电压隔离；所述光感测阶段包括：采用所述光电二极管吸收入射光，其中所述光电二极管电容以与所述入射光的照度成比例的方式放电；以及其中放电所述光电二极管的电容将与所述光电二极管的第二端子连接的放大晶体管的栅极电压上拉至PDB，且上拉的量与入射光的照度成比例；所述读出阶段包括：将PDB脉冲化至足以升高所述放大晶体管的所述栅极电压以导通所述放大晶体管的电平；从所述放大晶体管中读出输出读出信号，其中所述输出读出信号取决于所述放大晶体管的所述栅极电压；所述入射光的所述照度根据所述输出的读出信号确定。
在所述操作光学有源像素传感器的方法的示例性实施方式中，所述多个单元中的每个单元还可用于执行复位噪声消除操作，以消除在所述复位阶段引入的复位噪声，所述复位噪声消除操作包括：在所述复位阶段之后且在所述光感测阶段之前，执行第一读出阶段，包括将PDB脉冲化至足以升高所述放大晶体管的所述栅极电压以导通所述放大晶体管的电平；从所述放大晶体管中读出输出读出信号并测量第一光电二极管输出V1；在光感测级之后，执行包括如权利要求13所述的读出级的第二读出级，并测量第二光电二极管输出V2；以及电子相减(V2-V1)来产生不受所述复位噪声影响的输出读出信号。
在所述操作光学有源像素传感器的方法的示例性实施方式中，进一步包括在所述复位和所述光感测阶段期间设置PDB的电平，以及在光感测阶段的持续时间，以避免所述光电二极管在所述光感测阶段期间的饱和。
在所述操作光学有源像素传感器的方法的示例性实施方式中，所述读出阶段不影响所述光电二极管的所述电荷。
在所述操作光学有源像素传感器的方法的示例性实施方式中，RST和PDB按行应用于所述传感器矩阵，所述输出读出信号按列读取。
在所述操作光学有源像素传感器的方法的示例性实施方式中，还包括周期间延迟，其中所述单元在给定周期的读出阶段的结束与下一周期的复位阶段之间无操作。
在所述操作光学有源像素传感器的方法的示例性实施方式中，所述读出的输出信号是输出电流，并且所述方法还包括将输出电流转换为用于确定入射光的照度的输出电压。
在所述操作光学有源像素传感器的方法的示例性实施方式中，不同行的时间相邻的PDB脉冲没有重叠。
尽管已经相对于一个或多个特定实施例示出和描述了本发明，但是显而易见的是，在阅读和理解了本说明书和附图之后，本领域的其他技术人员将想到等同的变更和修改。特别是关于上述元件(组件，组件，设备，组合物等)执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述此类元件的术语(包括对“装置”的引用)旨在对应尽管在结构上不等同于在此示出的示例性实施例或本发明的实施例中所公开的执行功能的结构，但是对执行所描述的元素的指定功能的任何元素(即，功能上等效的)表示任何指示。另外，尽管以上可能仅针对几个示出的实施例中的一个或多个描述了本发明的特定特征，但是这种特征可以与其他实施例的一个或多个其他特征组合，这可能是期望和有利的。任何给定的或特定的应用程序。
附图标记说明
10-光学APS设备
12-单元的传感器矩阵
14-驱动器IC
16-AFE IC
20-单元像素电路
22-光电二极管
30/30a-光学APS设备
32-单元传感器矩阵
34-驱动器IC
36-AFE集成电路
40-传感器接口电路
42-单元接口电路
44-转换元件
50-显示系统
52-显示面板
54-手指
M1-复位晶体管
M2-放大晶体管
Vdd-电源
PDB-光电二极管偏置线
GND-参考电压或接地
RST-复位控制线
VGATE-放大晶体管的栅极电压

Claims (19)

1.一种用于光学有源像素传感器(APS)的单元，其特征在于，具备：
光电二极管，具有连接到提供光电二极管偏置信号PDB的光电二极管偏置线的第一端子及与第一端子相对的第二端子；
复位开关晶体管，具有连接到光电二极管的所述第二端子的第一端子、连接到参考电压线的第二端子，且所述复位开关晶体管的栅极连接到提供复位信号RST的复位信号供给线；
放大晶体管，具有连接到输出读出线的第一端子、连接到驱动电压供给线的第二端子，并且所述放大晶体管的栅极连接到构成所述光电二极管的所述第二端子与所述复位开关晶体管的所述第一端子的连接的节点；以及
驱动器IC，其被配置为提供所述光电二极管偏置信号PDB以及所述复位信号RST，
在多个周期间延迟时间内，所述驱动器IC将所述复位信号RST设置为低电平且将所述光电二极管偏置信号PDB设置为低电平，
在多个复位阶段期间，所述驱动器IC将所述复位信号RST设置为高电平以使所述复位开关晶体管导通，并且在多个读出阶段期间将所述光电二极管偏置信号PDB设置为高电平以使所述放大晶体管导通，
所述多个读出阶段包括设置在所述多个复位阶段中的第一复位阶段和第二复位阶段之间的第一读出阶段和第二读出阶段，所述第一复位阶段和所述第二复位阶段是连续周期的两个相邻的复位阶段，
按顺序连续地设置所述第一复位阶段、所述多个周期间延迟时间中的第一周期间延迟时间和所述第一读出阶段；并且
按顺序连续地设置所述第二读出阶段、所述多个周期间延迟时间中的第二周期间延迟时间和所述第二复位阶段。
2.如权利要求1所述的单元，其特征在于，
所述复位开关晶体管和所述放大晶体管为薄膜晶体管。
3.如权利要求1或2所述的单元，其特征在于，所述复位开关晶体管和所述放大晶体管为n型铟镓锌氧化物(IGZO)晶体管。
4.如权利要求1或2所述的单元，其特征在于，所述光电二极管的所述第一端子为阳极且所述光电二极管的所述第二端子为阴极。
5.一种光学有源像素传感器(APS)，其特征在于，具备：
传感器矩阵，包括按行和列的阵列排列的多个如权利要求1-4中任一项所述的用于光学有源像素传感器(APS)的单元。
6.如权利要求5所述的光学有源像素传感器，其特征在于，所述驱动器连接至所述传感器矩阵，并将所述复位信号RST提供至所述传感器矩阵的复位开关晶体管并且将所述光电二极管偏置信号PDB提供至所述传感器矩阵的光电二极管，
进一步包括模拟前端AFE，连接至所述传感器矩阵，所述模拟前端读取并处理从所述传感器矩阵的输出读出线输出的输出读出信号。
7.如权利要求6所述的光学有源像素传感器，其特征在于，所述驱动器IC被配置为在所述传感器矩阵的所述单元的行的基础上提供所述复位信号RST和所述光电二极管偏置信号PDB，并且所述AFE被配置为在所述传感器矩阵的所述单元的列的基础上读取所述输出读出信号。
8.如权利要求6或7所述的光学有源像素传感器，其特征在于，还包括连接在所述传感器矩阵与所述AFE之间的接口电路，其中所述接口电路被配置成用于应用信号调节以使所述输出读出信号适配于所述AFE的规格。
9.如权利要求8所述的光学有源像素传感器，其特征在于，所述接口电路与所述传感器矩阵位于同一基板上。
10.如权利要求6或7所述的光学有源像素传感器，其特征在于，还包括向所述传感器矩阵提供参考电压的参考电压供给线以及向所述传感器矩阵提供驱动电压以产生所述输出读出信号的驱动电压供给线。
11.如权利要求10所述的光学有源像素传感器，其特征在于，所述参考电压供给线沿第一方向排列，所述驱动电压供给线沿垂直于所述第一方向的第二方向排列。
12.一种显示系统，其特征在于，具备：
显示面板；以及
权利要求5-11中任一项所述的光学有源像素传感器，其与所述显示面板相邻，所述光学有源像素传感器感测入射到所述显示系统的光。
13.一种操作光学有源像素传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在行和列的传感器矩阵中排列多个单元像素电路，其中所述多个单元中的每个单元在多个复位阶段、光感测阶段和读出阶段中操作；
其中，
所述多个复位阶段中的每一阶段包括：施加复位信号RST以导通单元的复位晶体管，以将所述单元的光电二极管的第一端子电连接至参考电压；将光电二极管偏置信号PDB施加到所述光电二极管的第二端子，其中相对于所述参考电压设置所述光电二极管偏置信号PDB，以使所述光电二极管反向偏置并给所述光电二极管的电容充电；在所述复位阶段结束时，切换所述复位信号RST来截止复位晶体管，使所述光电二极管与所述参考电压隔离；
所述光感测阶段包括：采用所述光电二极管吸收入射光，其中所述光电二极管的所述电容以与所述入射光的照度成比例的方式放电；以及其中放电所述光电二极管的所述电容将与所述光电二极管的所述第二端子连接的放大晶体管的栅极电压向所述光电二极管偏置信号PDB上拉，且上拉的量与入射光的照度成比例；
所述多个读出阶段的每一个读出阶段包括：将所述光电二极管偏置信号PDB脉冲化至足以升高所述放大晶体管的所述栅极电压以导通所述放大晶体管的电平；从所述放大晶体管中读出输出读出信号，其中所述输出读出信号取决于所述放大晶体管的所述栅极电压；所述入射光的所述照度根据所述输出的读出信号确定，
提供多个周期间延迟时间，其中，所述复位信号RST被设置为低电平以截止复位开关晶体管，并且所述光电二极管偏置信号PDB被设置为低电平以反向偏置所述光电二极管；
所述多个读出阶段包括设置在所述多个复位阶段中的第一复位阶段和第二复位阶段之间的第一读出阶段和第二读出阶段，所述第一复位阶段和所述第二复位阶段是连续周期的两个相邻的复位阶段，
按顺序连续地设置所述第一复位阶段、所述多个周期间延迟时间中的第一周期间延迟时间和所述第一读出阶段；并且
按顺序连接地设置所述第二读出阶段、所述多个周期间延迟时间中的第二周期间延迟时间以及所述第二复位阶段。
14.如权利要求13所述的操作光学有源像素传感器的方法，其特征在于，所述多个单元中的每个单元还可用于执行复位噪声消除操作，以消除在所述复位阶段引入的复位噪声，所述复位噪声消除操作包括：
在所述复位阶段之后且在所述光感测阶段之前，执行所述第一读出阶段，包括执行如权利要求13所述的读出阶段，并从所述放大晶体管中读出输出读出信号并测量第一光电二极管输出V1；
在光感测级之后，执行第二读出阶段，包括执行如权利要求13所述的读出阶段，并测量第二光电二极管输出V2；以及
电子相减V2-V1来产生不受所述复位噪声影响的输出读出信号。
15.如权利要求13或14所述的操作光学有源像素传感器的方法，其特征在于，
进一步包括在所述复位和所述光感测阶段期间设置所述光电二极管偏置信号PDB的电平，以及在所述光感测阶段的持续时间，以避免所述光电二极管在所述光感测阶段期间的饱和。
16.如权利要求13或14所述的操作光学有源像素传感器的方法，其特征在于，所述多个读出阶段不影响所述光电二极管的电荷。
17.如权利要求13或14所述的操作光学有源像素传感器的方法，其特征在于，所述复位信号RST和所述光电二极管偏置信号PDB按行应用于所述传感器矩阵，所述输出读出信号按列读取。
18.如权利要求13或14所述的操作光学有源像素传感器的方法，其特征在于，所述读出的输出信号是输出电流，并且所述方法还包括将所述输出电流转换为用于确定入射光的照度的输出电压。
19.如权利要求13或14所述的操作光学有源像素传感器的方法，其特征在于，不同行的时间相邻的所述光电二极管偏置信号PDB脉冲没有重叠。
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