CN114323270B - 主动像素传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种主动像素传感器，所述主动像素传感器包括：光伏二极管，用于根据感测到的光线产生光生电压；第二薄膜晶体管，第二薄膜晶体管的栅极与光伏二极管的阴极电连接，第二薄膜晶体管用于对光生电压进行放大处理；第一薄膜晶体管，第一薄膜晶体管的第二极与第二薄膜晶体管的栅极，第一薄膜晶体管用于对第二薄膜晶体管的栅极电压进行复位处理；第三薄膜晶体管，第三薄膜晶体管的第一极与第二薄膜晶体管的第二极电连接，第三薄膜晶体管用于输出电压信号。通过采用光伏二极管感测光线，利用光伏二极管的光伏效应，在受到光照时产生电压信号，增大了光生电压，提高了主动像素传感器的输出电压的放大效果，提高了光产出效率。
Description
技术领域
本申请涉及光电领域，尤其涉及一种主动像素传感器。
背景技术
光学传感器广泛用于工业、通讯、生物医疗、消费电子等领域。要求光学传感器的灵敏度越高越好，内部信号放大是一种较理想的解决方案。
在现有的电压放大型主动像素传感器(Voltage-Active Pixel Sensor，简称V-APS)中，一般采用光电二极管输出微弱的电流信号，然后通过APS电路放大后输出较大的电压信号，光电二极管输出的电流变化越大，光输出的电压信号也越强，光产出效率也越高。然而，由于光电二极管是电流型器件，产生高强电压信号的效果并不理想。
发明内容
本发明提供一种主动像素传感器，以增大APS器件的输出电压，提高光产出效率。
为解决以上问题，本发明提供的技术方案如下：
本发明提供一种主动像素传感器，所述主动像素传感器包括：
光伏二极管，用于根据感测到的光线产生光生电压；
第二薄膜晶体管，所述第二薄膜晶体管的栅极与所述光伏二极管的阴极电连接，所述第二薄膜晶体管用于对所述光生电压进行放大处理；
第一薄膜晶体管，所述第一薄膜晶体管的第二极与所述第二薄膜晶体管的栅极，所述第一薄膜晶体管用于对所述第二薄膜晶体管的栅极电压进行复位处理；
第三薄膜晶体管，所述第三薄膜晶体管的第一极与所述第二薄膜晶体管的第二极电连接，所述第三薄膜晶体管用于输出电压信号
可选的，在本发明的一些实施例中，所述光伏二极管包括阴极层、功能层、以及阳极层，所述阴极层包括所述光伏二极管的阴极，所述阳极层包括所述光伏二极管的阳极，所述功能层位于所述阴极层和所述阳极层之间，所述功能层的厚度小于3000埃。
可选的，在本发明的一些实施例中，所述阴极层为非透明金属层，所述阳极层为透明导电氧化物层或透明导电合金层。
可选的，在本发明的一些实施例中，所述光伏二极管包括至少两个子光伏二极管，所述子光伏二极管相互串联。
可选的，在本发明的一些实施例中，所述主动像素传感器还包括第一端子、第二端子、第三端子、以及第四端子，所述第一端子连接所述第三薄膜晶体管的栅极，所述第二端子连接所述第三薄膜晶体管的第二极，所述第三端子连接所述第一薄膜晶体管的栅极，所述第四端子连接所述第一薄膜晶体管的第一极和所述第二薄膜晶体管的第一极。
可选的，在本发明的一些实施例中，所述第一薄膜晶体管包括至少两个子薄膜晶体管，所述子薄膜晶体管相互串联，且所述子薄膜晶体管的栅极相互连接。
可选的，在本发明的一些实施例中，所述光伏二极管为无机光伏二极管。
可选的，在本发明的一些实施例中，所述无机光伏二极管包括硅基薄膜光伏二极管、碲化镉薄膜光伏二极管和铜铟镓硒薄膜光伏二极管中一种或多种。
可选的，在本发明的一些实施例中，所述光伏二极管为有机高分子光伏二极管。
本发明提供了一种主动像素传感器，所述主动像素传感器包括：光伏二极管，用于根据感测到的光线产生光生电压；第二薄膜晶体管，所述第二薄膜晶体管的栅极与所述光伏二极管的阴极电连接，所述第二薄膜晶体管用于对所述光生电压进行放大处理；第一薄膜晶体管，所述第一薄膜晶体管的第二极与所述第二薄膜晶体管的栅极，所述第一薄膜晶体管用于对所述第二薄膜晶体管的栅极电压进行复位处理；第三薄膜晶体管，所述第三薄膜晶体管的第一极与所述第二薄膜晶体管的第二极电连接，所述第三薄膜晶体管用于输出电压信号。本发明通过采用光伏二极管替换现有技术中的光电二极管，利用光伏二极管的光伏效应，在受到光照时产生电压信号，增大了光生电压，提高了主动像素传感器的输出电压的放大效果，提高了光产出效率。
附图说明
下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。
图1为本发明实施例提供的主动像素传感器的第一种结构的俯视示意图；
图2为本发明实施例提供的主动像素传感器的第二种结构的俯视示意图；
图3为本发明实施例提供的主动像素传感器的第三种结构的俯视示意图；
图4为本发明实施例提供的主动像素传感器的第四种结构的俯视示意图；
图5为本发明实施例提供的主动像素传感器的第一种主视示意图；
图6为本发明实施例提供的主动像素传感器的第二种主视示意图；
图7为本发明实施例提供的光伏二极管的第一种主视示意图；
图8为本发明实施例提供的光伏二极管的第二种主视示意图；
图9为本发明实施例提供的主动像素传感器的电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明的具体实施方案，对本发明实施方案和/或实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显而易见的，下面所描述的实施方案和/或实施例仅仅是本发明一部分实施方案和/或实施例，而不是全部的实施方案和/或实施例。基于本发明中的实施方案和/或实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方案和/或实施例，都属于本发明保护范围。
本发明所提到的方向用语，例如[上]、[下]、[左]、[右]、[前]、[后]、[内]、[外]、[侧]等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明和理解本发明，而非用以限制本发明。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或是暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
针对现有主动像素传感器的输出电压信号弱，光产出效率低的问题，本发明实施例提供一种主动像素传感器可以解决这个问题。
在一种实施例中，请参照图1、图5和图9，图1示出了本发明实施例提供的主动像素传感器的第一种结构的俯视示意图，图5示出了本发明实施例提供的主动像素传感器的第一种主视示意图，即图1、图2、和图4中沿CC’的剖面示意图，图9示出了本发明实施例提供的主动像素传感器的电路图。如图1和图9所示，本发明实施例提供的主动像素传感器包括第一薄膜晶体管T1、第二薄膜晶体管T2、第三薄膜晶体管T3、以及光伏二极管PV。
所述光伏二极管PV用于感测光线，并在受到光照时，依据光伏效应形成内建电场，产生电压信号，所述光伏二极管PV产生的光生电压信号向与所述光伏二极管PV的阴极电连接的所述第二薄膜晶体管T2的栅极传输。
所述第二薄膜晶体管T2为放大薄膜晶体管，所述第二薄膜晶体管T2的栅极与所述光伏二极管PV的阴极电连接，所述第二薄膜晶体管T2用于对所述光伏二极管PV产生的光生电压进行第一次的放大处理。
所述第一薄膜晶体管T1为复位薄膜晶体管，所述第一薄膜晶体管T1的第二极与所述第二薄膜晶体管T2的栅极电连接，用于对所述第二薄膜晶体管T2的栅极电压进行复位处理。
所述第三薄膜晶体管T3为输出薄膜晶体管，所述第三薄膜晶体管T3的第一极与所述第二薄膜晶体管T2的第二极电连接，所述第三薄膜晶体管T3用于输出所述主动像素传感器的电压信号。
如图1所示，所述主动像素传感器还包括第一端子Pad1、第二端子Pad2、第三端子Pad3、第四端子Pad4、以及第五端子Pad5，所述第一端子Pad1电连接所述第三薄膜晶体管T3的栅极，所述第二端子Pad2电连接所述第三薄膜晶体管T3的第二极，所述第三端子Pad3电连接所述第一薄膜晶体管T1的栅极，所述第四端子Pad4电连接所述第一薄膜晶体管T1的第一极，所述第五端子Pad5电连接所述第二薄膜晶体管T2的第一极。
如图9所示，所述第一薄膜晶体管T1、所述第二薄膜晶体管T2、所述第三薄膜晶体管T3、以及所述光伏二极管PV构成所述主动像素传感器的内部电路，所述第一端子Pad4连接第一输入信号In1，所述第二端子Pad5连接第二输入信号In2，所述第三端子Pad3连接第一栅极信号Gn1，所述第一端子Pad1连接第三栅极信号Gn3，所述第二端子Pad2连接外部电路。所述外部电路包括电容C和放大器AD，所述放大器AD的正向输入端连接所述电容C的一端、所述第二端子Pad2，所述放大器AD的反向输入端连接参考信号Vref，所述放大器AD的输出端输出放大电压Uout。
所述主动像素传感器的工作时序包括依次循环进行的复位时段、采光时段、数据读取时段。在所述复位时段，所述第三端子Pad3接入有效的所述第一栅极信号Gn1，所述第一端子Pad4接入所述第一输入信号In1，所述第一薄膜晶体管T1导通，并向所述第二薄膜晶体管T2的栅极输入有效的所述第一输入信号In1，所述第二端子Pad5接入所述第二输入信号In2，所述第一输入信号In1的电位与所述第二输入信号In2的电位大致相同，所述第二薄膜晶体管T2工作在饱和区，所述第一端子Pad1接入有效的第三栅极信号Gn3，所述第三薄膜晶体管T3导通，读取第一放大电压Uout1；在采光时段，所述第三端子Pad3接入无效信号，所述第一薄膜晶体管T1断开，所述第一端子Pad1接入无效信号，所述第三薄膜晶体管T3断开，光照射所述光伏二极管PV，所述光伏二极管PV产生光生电压，并输入到所述第二薄膜晶体管T2的栅极，与先前所述第二薄膜晶体管T2的栅极电压进行叠加；在数据读取时段，所述第二端子Pad5接入所述第二输入信号In2，所述第二薄膜晶体管T2工作在饱和区，所述第一端子Pad1接入有效的第三栅极信号Gn3，所述第三薄膜晶体管T3导通，读取第二放大电压Uout2。
根据所述第二放大电压Uout2和所述第一放大电压Uout1的变化量ΔUout即可分析出照射到所述光伏二极管PV上的光信号。电压变化量ΔUout与所述第二薄膜晶体管T2的栅极电压的变化量正相关，所述光伏二极管PV产生的光生电压越大，所述第二薄膜晶体管T2的栅压变化量越大，输出的电压变化量ΔUout越大，所述主动像素传感器的放大效果越好，光产出效率越高。
本发明实施例通过采用光伏二极管替换现有技术中的光电二极管，利用光伏二极管的光伏效应，在受到光照时产生电压信号，增大了光生电压，提高了主动像素传感器的输出电压的放大效果，提高了光产出效率。
在一种实施例种，请参照图7，图7示出了本发明实施例提供的光伏二极管的第一种结构示意图，即图1中沿AA’的剖面示意图。如图7所示，所述光伏二极管PV包括阴极层21、功能层22、阳极层23、以及钝化层24，所述阴极层21图案化形成所述光伏二极管PV的阴极，所述阳极层23图案化形成所述光伏二极管PV的阳极。
所述功能层22位于所述阴极层21和所述阳极层23之间，所述功能层22的厚度小于3000埃，小于光电二极管的功能层的厚度(通常在5000埃以上)，本发明实施例提供的主动像素传感器采用光伏二极管感测光线在增大了光生电压的同时，减小了材料的损耗，降低了成本，尤其有利于有机高分子光伏二极管的低成本应用。
所述主动像素传感器通常为顶部采光结构，所述光伏二极管PV的采光面为靠近所述阳极层23的一侧，因此所述阳极层23为透明的光阳极(Transparent Conductive Oxide，简称TCO)，能够保证光线透过所述阳极层23照射到所述功能层22，所述阳极层的材料一般采用透明的导电氧化物(如氧化镉CdO、氧化铟In2O3、氧化锡SnO2、氧化锌ZnO、氧化铟锡ITO、氧化锌铝AZO、掺氟的氧化锡FTO、氧化锡锑ATO等)。阴极层21设于所述功能层22背离光线的一侧，因此，所述阴极层21通常为非透明金属层(如金属银等)，非透明的金属层能够将射入到阴极层21表面的光线反射回功能层22，减少光线的损失，提高光线的利用率，进而提高所述光伏二极管PV的光生电压，进而提高了主动像素传感器的输出电压的放大效果。
所述钝化层24设于所述阳极层23上，覆盖且封装所述阴极层21、所述功能层22和所述阳极层23，所述钝化层24的材料通常为透明的无机材料，包括但不限于氮化硅和氧化硅。
所述光伏二极管可以是无机光伏二极管，所述无机光伏二极管包括但不限于硅基薄膜光伏二极管(透明光阳极/p+-Si/i-Si/n+-Si/金属、透明光阳极/p+-Si/i-Si/n+-Si/p+-Si/i-SiGe/n+-Si/金属等)、碲化镉薄膜光伏二极管(透明光阳极/CdS/CdTe/Te/金属)、铜铟镓硒薄膜光伏二极管(透明光阳极/i-ZnO/CdS/CIG/金属)中的一种或多种。所述光伏二极管也可以是有机高分子光伏二极管，所述有机高分子光伏二极管的结构包括但不限于ITO光阳极/ZnO/PFN-Br/PBDB-T:F-M/M-PEDOT/ZnO/PTB7-Th:O6T-4F:PC71BM/MoOx/Ag。
在一种实施例中，所述光伏二极管PV包括至少两个子光伏二极管，所述子光伏二极管相互串联。请参照图4和图8，图4示出了本发明实施例提供的主动像素传感器的第四种结构的俯视示意图，图8示出了本发明实施例提供的光伏二极管的第二种主视示意图，即图4中沿BB’的剖面示意图。如图4和图8所示，所述光伏二极管PV包括第一子光伏二极管PV1和第二子光伏二极管PV2，所述第一子光伏二极管PV1的阴极与所述第二子光伏二极管PV2的阳极电连接，具体的，在所述钝化层24上形成连接层25，所述连接层25图案化形成连接线，所述连接线的一端通过过孔连接所述第一子光伏二极管PV1的阴极，所述连接线的另一端通过过孔连接所述第二子光伏二极管PV2的阳极。所述第二子光伏二极管PV2的阴极电连接所述第一薄膜晶体管T1的第二极和所述第二薄膜晶体管T2的栅极。本实施例通过在所述主动像素传感器设置至少两个子光伏二极管，且所述子光伏二极管相互串联，当光照射所述子光伏二极管时，多个子光伏二极管产生的光生电压相互叠加，更进一步提高所述光伏二极管的光生电压，提高了主动像素传感器的输出电压的放大效果，提高了光产出效率。
在一种实施例中，所述第一薄膜晶体管T1的第一极和所述第二薄膜晶体管的第一极共同电连接一个端子，具体请参照图2，图2为本发明实施例提供的主动像素传感器的第二种结构的俯视示意图。本实施例通过将所述第一薄膜晶体管T1的第一极的连接端子和所述第二薄膜晶体管的第一极的连接端子设置为一个，缩减了内部电路中端子所占用的空间，提高了结构的空间利用率。
在一种实施例中，所述第一薄膜晶体管T1包括至少两个子薄膜晶体管，所述子薄膜晶体管相互串联，且所述子薄膜晶体管的栅极相互电连接。具体请参照图3和图6，图3为本发明实施例提供的主动像素传感器的第三种结构的俯视示意图，图6示出了本发明实施例提供的主动像素传感器的第二种主视示意图，即图3中沿DD’的剖面示意图。如图3和图6所示，所述第一薄膜晶体管T1包括第一子薄膜晶体管T11和第二子薄膜晶体管T12，所述第一子薄膜晶体管T11的栅极与所述第二子薄膜晶体管T12的栅极共同电连接所述第三端子Pad3，所述第一子薄膜晶体管T11的第二极电连接所述光伏二极管的阴极、所述第二子薄膜晶体管T12的栅极，所述第一子薄膜晶体管T11的第一极电连接所述第二子薄膜晶体管T12的第二极，所述第二子薄膜晶体管T12的第一极电连接所述第四端子Pad4。本实施例通过设置至少两个子薄膜晶体管共同构成所述主动像素传感器复位晶体管，降低了所述复位晶体管的漏电流。
在一种实施例中，本发明还提供一种电子设备，所述电子设备包括本发明实施例提供的任意一种主动像素传感器。因此，所述电子设备具有本发明实施例提供的任意一种主动像素传感器的技术特征和有益效果，具体请参照上述实施例，在此不再赘述。所述电子设备可以是手机、平板、笔记本电脑、台式电脑、照相机、摄像头等电子设备中的任意一种。
综上所述，本发明实施例提供了一种主动像素传感器及电子设备，所述主动像素传感器包括：光伏二极管，用于根据感测到的光线产生光生电压；第二薄膜晶体管，所述第二薄膜晶体管的栅极与所述光伏二极管的阴极电连接，所述第二薄膜晶体管用于对所述光生电压进行放大处理；第一薄膜晶体管，所述第一薄膜晶体管的第二极与所述第二薄膜晶体管的栅极，所述第一薄膜晶体管用于对所述第二薄膜晶体管的栅极电压进行复位处理；第三薄膜晶体管，所述第三薄膜晶体管的第一极与所述第二薄膜晶体管的第二极电连接，所述第三薄膜晶体管用于输出电压信号。通过采用光伏二极管感测光线，利用光伏二极管的光伏效应，在受到光照时产生电压信号，增大了光生电压，提高了主动像素传感器的输出电压的放大效果，提高了光产出效率。
以上对本发明实施例所提供的主动像素传感器及电子设备进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种主动像素传感器，其特征在于，所述主动像素传感器包括：
光伏二极管，用于根据感测到的光线产生光生电压；
第二薄膜晶体管，所述第二薄膜晶体管的第一极接入第二输入信号，所述第二薄膜晶体管的栅极与所述光伏二极管的阴极电连接，所述第二薄膜晶体管用于对所述光生电压进行放大处理；
第一薄膜晶体管，所述第一薄膜晶体管的第一极接入第一输入信号，所述第一薄膜晶体管的第二极与所述第二薄膜晶体管的栅极电连接，所述第一薄膜晶体管用于对所述第二薄膜晶体管的栅极电压进行复位处理；
第三薄膜晶体管，所述第三薄膜晶体管的第一极与所述第二薄膜晶体管的第二极电连接，所述第三薄膜晶体管用于输出电压信号；
其中，所述主动像素传感器的工作时序包括依次循环进行的复位时段、采光时段、数据读取时段，在所述复位时段，所述第一薄膜晶体管导通，所述第二薄膜晶体管工作在饱和区，所述第三薄膜晶体管导通；在所述采光时段，所述第一薄膜晶体管断开，所述第三薄膜晶体管断开，光照射所述光伏二极管，所述光伏二极管产生光生电压，并输入到所述第二薄膜晶体管的栅极，与所述复位时段中所述第二薄膜晶体管的栅极电压进行叠加；在所述数据读取时段，所述第二薄膜晶体管工作在饱和区，所述第三薄膜晶体管导通。
2.如权利要求1所述的主动像素传感器，其特征在于，所述光伏二极管包括阴极层、功能层、以及阳极层，所述阴极层包括所述光伏二极管的阴极，所述阳极层包括所述光伏二极管的阳极，所述功能层位于所述阴极层和所述阳极层之间，所述功能层的厚度小于3000埃。
3.如权利要求2所述的主动像素传感器，其特征在于，所述阴极层为非透明金属层，所述阳极层为透明导电氧化物层或透明导电合金层。
4.如权利要求1所述的主动像素传感器，其特征在于，所述光伏二极管包括至少两个子光伏二极管，所述子光伏二极管相互串联。
5.如权利要求1所述的主动像素传感器，其特征在于，所述主动像素传感器还包括第一端子、第二端子、第三端子、以及第四端子，所述第一端子电连接所述第三薄膜晶体管的栅极，所述第二端子电连接所述第三薄膜晶体管的第二极，所述第三端子电连接所述第一薄膜晶体管的栅极，所述第四端子电连接所述第一薄膜晶体管的第一极和所述第二薄膜晶体管的第一极。
6.如权利要求1所述的主动像素传感器，其特征在于，所述第一薄膜晶体管包括至少两个子薄膜晶体管，所述子薄膜晶体管相互串联，且所述子薄膜晶体管的栅极相互连接。
7.如权利要求1所述的主动像素传感器，其特征在于，所述光伏二极管为无机光伏二极管。
8.如权利要求7所述的主动像素传感器，其特征在于，所述无机光伏二极管包括硅基薄膜光伏二极管、碲化镉薄膜光伏二极管和铜铟镓硒薄膜光伏二极管中一种或多种。
9.如权利要求1所述的主动像素传感器，其特征在于，所述光伏二极管为有机高分子光伏二极管。
10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1至9任意一项所述的主动像素传感器。
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