CN1144295C - Cmos光敏器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一新式光敏器件，其特征在于：开始接收照射光就能工作于动态区，使发出的光信号能在很大的范围内，线性地跟踪照射光。其主要利用一预充电开关，使发光二极管接收照射光前，就已有一充电电压，又配合一阀值电压可调整的放大用晶体管，使转移特性曲线可能遍及整个电源电压允许的工作范围，达到超值功效。该预充电开关的预充电工作又能有效消除前一感光工作所残留的光信号电荷，所以更进一步提升光敏器件的性能。

Description

CMOS光敏器件
技术领域
本发明是一种用来产生文件或物件的电子影像的光敏器件，尤其是指那些应用于文件扫描器、影印机、传真机与照相机等的光敏器件，例如接触式影像感应器(contact image sensors)。
背景技术
一般而言，由硅晶片(silicon wafers)制成的光敏器件大约分为两种，一为pn结(p-n junction)光敏器件，另一为电荷耦合装置(Charge-coupleddevice，简称CCD)光敏器件。pn连接光敏器件依结构可区分为：发光二极管及光晶体管，如图1A与图2A所示。其中光晶体管依结构是由一发光二极管与一种双极晶体管所组成，该双极晶体管(bipolar transistor)具有电荷放大作用(charge amplification)，该发光二极管连接于该双极晶体管的基极(base terminal)，使光电荷得以在该双极晶体管放大。将一种金属氧化半导体(简称MOS)所制成的晶体管开关与图1A及图2A中的pn连接光敏器件结合，则成为图3A与图4A所示电路，这使一种电荷集成式(charge-integration mode)光敏器件得以用集成电路(IC)方式制成，并且使光反应灵敏度得以改进。这也使得大型的影像感测阵列(imagesesingarray)的组装或聚集(integration)得以实现。
使用光晶体管做为光感测器(或称光敏器件)，以利用光电流放大原理来提高光灵敏度(photosensitivity)的方法是由William Schockley etal等人首度于题目为「pn结晶体管」的论文中提到。在一篇由Rudy Dyck与Gene weckler等人所提，而以「用于影像感测的硅光敏器件集成阵列(Integrated Array of Silicon Photodetectors for Image sensing)」硅光敏器件翻译自Silicon Photodetectors所以无法更改)为题的论文中，曾描述到一种电荷集成式光晶体管光敏器件用于影像摄取装置(imagecapture device)的情形。该论文刊载于西元1968年4月ED-15集的IEEE电子装置杂志(IEEE Transactions on Electron Devices)。
在一篇由E.E.Anderson与Weng-lyang等人所发表，题为「用于小形体轻的整页扫描器的新颖接触式感测器模组(A Novel Contact Image SensorModule for Compact and Light Full Page Scanner Applications)」的论文中，介绍了一种利用电荷集成式光晶体管做为光敏器件元件的接触式影像感测器模组。该论文刊载于SPIE Vol.1901Cameras，Scanners，and ImageAcquisition systems(1993)，第173-181页。而在SPIE Vol.2172第167-174页另刊载了一篇由Tadahiko与Hamaguchi等人所发表的题为「使用彩色光晶体管制成的接触式彩色像感测器(Contact-type color Image SensorUsing Color Phototransistors)」的论文。其中介绍了一种采用彩色晶体管所制成的接触式彩色影像感测器。
目前广泛用于黑白传真机的接触式影像感测器模组，如图4A所示的电荷集成光晶体管做为感测元件。这是由于在信号读出时该光晶体管会自行重置(self-esetting)，使得电路可以简化。然而这种接触式影像感测器(CIS)所组成的扫描器的影像复制(reproduction)的动态范围(dynamicrange)颇为受限，而且不适用于灰阶影像扫描(gray level imagescanning)。这种动态范围受限的情形起因于，该CIS工作于非线性光反应转移功能区(non-linear photoresponse transfer funtion region)，以及由于光晶体管的不完全而且非线性自我重置(self-resetting)过程所导致的影像延迟作用(after-image effect或image lag)。
有一种改进过的电荷集成式光晶体管(如图5所示)，在电荷集成过程之前，经由一预充电(Precharge)开关，向npn晶体管的基极注入某种直流偏置电荷(DC-biasing charge)，可以消除常用电荷集成光晶体管(如图4A所示)无可避免的非线性与影像延迟(image lag)问题，并且可以获致同样等级的CCD影像感测器的性能或效果。然而这种用于基极偏置(base-biased)光晶体管的制造过程技术并不能完全与现有铸造业标准CMOS制造过程相容。另一问题是这种系统所需用于该光晶体管工作的附属电路颇为繁杂而且耗电。
另一种利用电压重设(voltage-pickoff)电荷集成发光二极管做为感测元件所制成的影像感测器(如图6A所示)，自1970年起就已被应用于影像感测。这感测元件包括一可重置反偏发光二极管，连接于一个MOS晶体管的高阻抗栅极，该MOS晶体管是做为源极跟踪放大器(source-followeramplifier)。这种源极跟踪器结构能提供低输出阻抗，便于驱动外部的信号读取电路。
用于电荷集成发光二极管以及电荷集成光晶体管的工作原理与电路结构是非常不同的，而所用的缓冲晶体管(buffered transistors)尤其相异甚大。在电压重设(voltage-pickoff)光敏器件的工作中(operation)，其发光二极管与源极跟踪晶体管的栅极，先被重置于一DC(直流)电压位准(通常是一电源汇流排的电压)，使该源极跟踪晶体管在暗阶(dark level)条件下工作于动态区的上端；当照射光增加时，该源极跟踪晶体管向截止区(cut-off region)靠近。但电荷集成光晶体管的工作恰相反。在电荷集成光晶体管的工作中，发光二极管与npn晶体管的基极是在暗阶(dark level)条件下被重置于接近截止区(cut-off region)的电压；当照射光增加时，射极跟踪晶体管(emitter-follower transistor)的工作趋向动态区的上端。这两者间的差异可由图5A与图6A的电路图，以及图5C与图6C的光反应转移特性曲线(photoresponse transfer characteristice)看出。这两种光敏器件都是在同一类型的基板(substrate)上以CMOS技术制成。但电压重设型(voltage-packoff)光敏器件中的重置开关与信号读出(readout)开关等的体效应(body effect)会使电路设计与制造过程技术复杂化，也会使得那些使用电压重设型电荷集成式发光二极管做为感测无件的影像感测装置的动态范围(dynamic range)与信号读出率减少。
用CMOS技术，在晶片(chip)上将发光二极管面阵列(area-array)影像感测器与信号处理电路组合的工作，现在正被极力发展以用于新兴的多媒体业。与此有关的课题介绍包含于1996与1997年的IEEE ISSCC会议记载。
本发明的内容
本发明所用主要光敏器件一称为栅极偏压(gate-biased)电荷集成发光二极管(为便于了解，敬请参阅图7A所示电路图)，其工作原理相似于基极偏压电荷集成光晶体管(为便于了解，敬请先参照图5A)。
本发明的目的在于光敏器件是来自于，以一种可调整阀值电压(threshold-voltage)的n型MOS晶体管，取代基极偏压电荷集成光晶体管的双极npn晶体管。这种新创作的光敏器件具有线性光反应转移特性曲线，几乎能涵盖全部工作区(为便于了解，敬请先参照图7C)。栅极偏压电荷集成发光二极管的转移函数(transfer function)是在接有一电容负荷源极跟踪电路(capacitor-loaded source follower circuit)的情形下，由一种称为SPICE模拟的工作计算得出(为便于了解，其信号工作时序图，请先参考图7B所示)。
兹说明栅极偏压式电荷集成发光二极管的工作原理如下：在光敏器件的每一电荷集成周期之前，发光二极管的电荷集成节点(node)，也就是n型MOS晶体管的栅极，经由一个MOS开关被充电到一直流偏置(DC-bias)电压，该直流偏置电压(或称偏压电压)稍微高于该n型MOS晶体管M1的临界(threshold)电压。这预充电(precharging)步骤将这光敏器件初始化到动态区(active region)，以便于使输出信号线性地跟踪(linearlyfollow)发光二极管的光信号(photosignal)。同时这预充电步骤也将前一信号读出周期所留下的光信号电荷重置(reset)，并且消除影像延迟(after image)作用。如果该n型MOS晶体管的阀值电压，经由阀值电压植入步骤(implantingstep)，被设定为负值，则DC偏置电压可以连接于地线(ground bus)，而且这光敏器件会自动工作于动态区。如此，DC偏置电路就可以不必要。
本发明光敏器件可以采CMOS技术制造过程来生产，其能实现很宽的工作范围，而不需要任何其他处理步骤，因为阀值电压植入是一标准制造过程处理步骤。
这光敏器件元件包含一个发光二极管与三个主要的MOS晶体管。就n型基板晶片CMOS制造过程处理技术而言，该发光二极管是一种将p+扩散层(diffusion layer)形成于n型基板的p+n结(juncion)二极管；p+扩散层就是该发光二极管的阳极(anode node)，而n型基板就是阴极。p+阳极连接于n型MOS晶体管的栅极(为便于了解，请先参照图7A，图中M1是n型MOS晶体管)。晶体管M1是做为发光二极管P+n的P+极电压的电压缓冲(voltage-buffering)或电压放大之用。如图7中的晶体管M2与M3是做为这光敏器件的启动一断路开关之用，两者都可以是n型或p型，或是一种传送闸(transmission gate)MOS晶体管。该传送闸MOS晶体管是将n型与p型晶体管并列连接在一起，但如果n型MOS晶体管是用于根据n型基板CMOS技术制成的晶体管M2与M3，则可以得致较佳的电路设计与光敏器件性能。晶体管M2是做为该光敏器件的信号读出开关，而晶体管M3是做为插入直流偏置电荷于晶体管M1的栅极的预充电关是，同时也用以在每一光电荷集成(photocharge-integration)周期的初始，将发光二极管重置。为便于了解，请先参阅图7B，图中的晶体管M2与M3导通之间的时段，就是光敏器件的电荷集成期。若使用CMOS制造过程或处理技术的p型基板晶片，则本发明光敏器件就包含一n+P发光二极管与三个p型MOS晶体管。
为便于了解，请再度参照图7A，图7A中的n型MOS晶体管具有可调阀值电压，是用以取代图5A中的基极偏压式电荷集成用光晶体管的双极npn晶体管。该n型MOS晶体管的可调阀值电压，可以用晶体管阀值电压植入步骤来实现。这种光敏器件因此而能提供涵盖全部工作区(supersetoperating region)的函数(transfer function)。为便于了解，请再先参阅图7C。对照于本发明光敏器件，图5A中的基极偏压型电荷集成光晶体管的转移函数受限于一小范围。这是因为其射极一基极结(junction)的导通电压的可调范围受限(大约在0.6-0.9V间)。另一对照于本发明光敏器件者，是图6中的电压重设(voltage-pick off)式电荷集成发光二极管的转移函数，仅占有本发明光敏器件的转移函数区域(呈面状，也就是呈super-set)的一小部份(为便于了解，请再参阅图6C)。由此可知，本发明所提出的电荷集成型光敏器件能够在影像感测装置的最佳化设计方面，带来较大的弹性。
归纳之，本发明光敏器件相较于基极偏压光晶体管，有下列优点：
1、源自于发光二极管内光产生(photogenerated)电荷信号的非破坏性读出感测(non-destructive readout sensing)的较高灵敏度与较佳线性。在基极偏压型光晶体管为主要电路元件的光侦测中，仅有一部份光产生电荷信号会在信号读出时，被放电成为基极一射极电流。
2、本发明光敏器件的偏置电压(voltage bias)的电压参考电路(也就是voltage reference circuit。为便于了解，请再先参照图8)，可以被组装在晶片上，以便设定光敏器件工作于动态区。这电压参考电路也可以补偿随温度变化的输出直流偏移变动(DC offset variations)。与此对比，隔离的双极晶体管就无法以CMOS光晶体管技术装于晶片上，也就无法提供温度补偿用的电压参考电路。
3、本发明光敏器件(例如图7A所示)的简化与最佳化设计，可以采用一种耗尽型(depletion-type)晶体管做为缓冲(buffered)n型晶体管(如图7A的M1)，其具有负晶体管阀值电压(native transistor thresholdvoltage)。由于图7A中的晶体管M1的阀值电压为负值，本发明光敏器件在图7A中的Vbias连到地线时，可以工作于线性动态区，此可由图7C的转移函数曲线看出。这样设计的光敏器件(例如图9所示)，就不需要电压参考电路。而由这种光敏器件所组成的影像感测装置就只会消耗少量电力，也只会需要微量的硅材，使成本较低。
4、其制造过程技术完全相容于低成本、高性能的标准数字CMOS处理技术。
另一方面，本发明所用栅极偏压式电荷集成型发光二极管，相对于常用电压重设(voltage pickoff)式电荷集成型发光二极管而言，有如下优点：
1、其具有面区域(super-set)的光反应转移特性曲线(为便于了解，请再参阅图7C)，而采电压重设式发光二极管的光敏器件却只能工作于面的一小部份。
2、其具有宽广的动态区，所以能工作于较大的范围。这可以从其直流偏压(Vbias，也称为直流偏置电压)接地时的转移特性曲线看出。本发明光敏器件有一从原点(origin)分布到最大允许输出值的动态区曲线(当图9听晶体管M1的阀值电压稍微低于0电位时)。
3、其由于工作原理的特殊，可以提供较快速的影像信号读出率。兹说明如下：在暗阶(dark level)时，于工作起点，本发明所用源极跟踪器(例如图7A的M1)的直流偏压被设定于动态区的下端，也就是晶体管M1较地电位低一阀值电压之处。当读出开关(图7A中的M2)导通时，在重置到地电位(resetting-to-ground)的电容器负载接点(node)处的电压，会被源极跟踪晶体管M1充电到发光二极管的暗阶电压之下，离该暗阶电压的差值大约等于晶体管M1的阀值电压之处，也就是几乎等于地电位的值。所以将一小电压值充到该电容器负载所需充电时间常数极短。但在电压重设型光敏器件的工作中，源极跟踪晶体管(图6A中的M1)被直流偏压到动态区上端，使晶体管M1必须充一大电压升值到电容器负载，才能跟踪发光二极管的暗阶信号。由此可看出，电压重设式光敏器件需要较长充电时间常数，因而就会有较慢的信号读出率。
4、其可以提供最佳化电路结构，使信号读出开关(图7A中的晶体管M2)与预充电开关(图7A的晶体管M3)等的体效应(body effect)最小。在标准CMOS制造过程上的晶体管就可以用做M2与M3。但在电压重设式光敏器件的案例中，很难使光敏器件正确工作，也很难避免晶体管M2与M3的制造过程或电路中的不顺或缺陷。这是由于其工作原理所难免带来的体效应之故。
由CCD影像感测器的工作原理，以及上述的分析说明，得以推论出以下两种可用于影像感测装置的光侦测元件也可以实现：
1、一种包含栅极偏压式电荷集成型发光二极管与可重置电容器(resettable-capacitor)负载的光侦测元件。其中该可重置电容器负载是做为光敏器件信号的取样与保持(sample and hold)之用(为便于了解，请先参照图12的案例)。
2、一种包含电压重设型电荷集成式发光二极管，与可重置电容器负载的光侦测元件。其中该可重置电容器负载也是做为光敏器件信号的取样与保持工作之用(为便于了解，请先参阅图14的案例)。
为便于了解，请先参阅图13A与图15A。这两图展示出由该两种(以上所提两种)光侦测元件所构成的线性阵列型影像感测器。这两种影像感测器的功能相似于线性阵列CCD影像感测器。兹说明相似处如下：同时以并行(parallel)方式将光点(photosite)信号传到相对应的类比记忆单元，接着在每一光侦测元件为下一读出周期执行电荷集成时，连续有序地从该记忆单元读出信号。这些影像感测器可用在三色光发射二极管(LED)光开关工作方法(light switching method)所制成的彩色CIS扫描器上，来提升扫描信号输出量(throughput)。
图7A的光敏器件，在预充电期间，晶体管M1的源极是浮动的(floating)，而且含有前一个信号读出周期所残留的电荷信号，这现象与残留电荷信号会引起相邻读出信号间的互相干扰(crosstalk)，或读出信号的固定形式的杂讯。这个问题可以经由晶体管M1源极的重置工作来解决。这项重置工作是在预充电期间，将n型MOS晶体管开关连接于源极与电压源或地线之间来达成。但这个情况下，会有一暂态(transient)电流在重置工作期间，从高电位电源端(Vdd)经晶体管M1与该n型MOS晶体管开关(图16A的M8)流向地。为便于了解，请先参阅图16A、图16B、图16C等所示的修正版光侦测元件接线电路。
将图6A电压重设型光敏器件的晶体管M1源极重置的工作并不一定必要，因为晶体管M1在重置期间本就一直是导通的。通常晶体管M1的源极电压被重置到大约低于栅极电压一阀值电压值之处。
简介一种用于接收照射光以产生光信号的，本发明光敏器件的实施器的实施例的基本结构，这光敏器件包含：
一发光二极管，包含一电荷聚集极，当该发光二极管接收照射光时，该电荷聚集极因应该照射光以累积电荷而使电位会升高；
一栅极偏压型可储存电荷MOS晶体管，具有可调阀值电压，其包含一偏压储存极连接该电荷聚集极，其又包含一电源电压输入极连接一电压源、与一输出端因应该电荷集成的电位而输出一光信号(也就是，该输出端所输出的光信号，随该电荷聚集极的电位高低而变化)；
一预充电开关，因应一预充电控制信号，加一参考电压于该偏压储存极；以及
一信号读出开关，含有一第一端与一第二端，该第一端连接该栅极偏压型可储存电荷MOS晶体管的输出端，该第二端因应一读出控制信号，经由该第一端接收该栅极偏压型可储存电荷MOS晶体管的输出端的光信号。
附图说明
图1A是一曲型p+n结发光二极管工作于即时(real time)光电流感测模式的情形；
图1B是图1A中的p+n结发光二极管的典型结构；
图2A是一光晶体管工作于即时光电流放大模式的情形；
图2B是图2A图中的光晶体管的典型结构；
图3A是一典型p+n结发光二极管工作于电荷集成模式的情形。
图3B是信号读出开关的时序图(timing diagram)，以及图3A中的电荷集成发光二极管的应用例的输出信号；
图4A是一光晶体管工作于电荷集成模式的情形；
图4B是信号读出开关的时序图，以及图4A中的电荷集成光晶体管的应用例的输出信号；
图5A是展示一连接着电容器负载型射极跟踪器读出电路的基极偏压型电荷集成光晶体管所组成的光敏器件元件的线路图；
图5B是展示预充电开关、信号读出开关、电容器负载重置开关等的时序图，以及图5A的光晶体管应用例的输出信号；
图5C是展示图5A的光敏器件元件应用例的光反应转移特性曲线计算值；
图6A是展示一种电压重设式电荷集成型发光二极管连接一电容器负载型源极跟踪器读出电路所组成的光敏器件元件的接线圈；
图6B是展示发光二极管重置开关、读出开关、电容器负载重置开关等的时序图，以及图6A的光敏器件元件应用例的输出信号；
图6C是展示图6A的光敏器件元件应用例的光反应特性曲线计算值。
图7A是展示一连接着电容器负载型源极跟踪器读出电路的栅极偏压式电荷集成型发光二极管的线路图；
图7B是展示二极管、闸预充电开关、读出开关、电容器负载重置开关等的时序图，以及图7A的光敏器件应用例的输出信号；
图7C是展示图7A的光敏器件元件，在相关的晶体管于许多种不同阀值电压值的条件下，计算出的光反应转移特性曲线；
图8是展示图7A的光敏器件所需要的偏压的电压参考值(Vbias)。此Vbias适于促成某种条件下的线性动态区工作；
图9是展示一应用施工图7A的光敏器件元件的修正电路；
图10A是展示一应用许多图7A光敏器件元件所组成的线性阵列影像感测装置的电路，以及信号读出电路；
图10B是展示一应用许多图7A光敏器件元件所成的面阵列影像感测装置的电路，以及信号读出电路；
图11A是展示一应用许多图7A光敏器件元件所组成的面阵列影像感测装置的电路，以及信号读出电路；
图11B是展示图11A中的影像感测装置工作所需的控制信号时序图；
图12是展示一光敏器件元件的电路图。这光敏器件元件包含图7A中的光敏器件，以及一连接着缓冲放大器的开关式可重置电容器负载。后者是做为发光二极管信号的取样保持工作之用。
图13A是展示一应用许多图12光敏器件元件所组成的线性阵列影像感测装置的电路，以及信号读出电路。
图13B是展示图13A的影像感测装置工作所需控制信号的时序图；
图14是展示一采用电压重设式电荷集成型发光二极管组装于P型基板经CMOS处理而成的光敏器件元件的电路图，以及一连接有缓冲放大器，而能做为发光二极管信号的取样保持工作电路的开关式可重置电容器负载的接线圈；
图15A是展示一种采用许多图14光敏器件元件所组成的线阵列式影像感测装置的电路图，以及信号读出电路；
图15B是展示图15A影像感测装置工作所需控制信号的时序图；
图16A是展示一应用图7A所示光敏器件的电路图，以及一用来将晶体管M1(图7A所示M1)源极接到地电位的MOS开关。
图16B是展示一应用图7A所示光敏器件的电路图，以及一用来将图7A所示晶体管M1源极重置到偏压电压(Vbias)的MOS开关。
图16C是展示一应用图7A所示光敏器件的电路图，以及一用来将图7A所示晶体管M1源极重置到等于另一晶体管的源极(如图7A的M3的源极)的电位；
图17A是展示一按CMOS技术，而与一电容器负载型源极跟踪读出电路一起组装于p型基板，之栅极偏压电荷集成发光二极管的电路图；
图17B是展示发光二极管、栅极充电开关、读出开关、电容器负载重置开关等的时序图，以及图17A光敏器件元件应用例的输出信号；
图17C是展示图17A所示光敏器件元件，在图17A的晶体管M1许多种阀值电压条件下，所计算得的光反应转移特性曲线；
图18是展示图17A所示光敏器件元件的一种修正电路图。
本发明的具体实现方式
图7A是本发明一种实施例的接线图，其中的栅极偏压式电荷集成型发光二极管是构成单一光敏器件、或线阵列、面阵列影像感测装置的基本感光单元。图7A所示光敏器件包含一pn结发光二极管71，主要MOS晶体管M1、M2与M3，以及一偏压参考电压Vbias。如果是采用CMOS技术的n型基板晶片，则二极管71是一种在n型基板上形成p+扩散层而得到的p+n结二极管；这p+扩散层就是二极管71的阳极，而n型基板就是二极管71的阴极。這n型基板阴极是为连接一电压源之一输入极，这p+阳极连接于n型MOS晶体管M1的栅极。晶体管M1是做为发光二极管71的p+极电压的电压缓冲或电压放大之用。M2与M3这两个晶体管是做开关之用，分别可以是n型或P型或传送闸(n型与P型晶体管并列连接在一起)MOS晶体管。然而在采用n型基板CMOS技术的条件下，n型MOS晶体管较适于做为M2与M3之用，以期能使电路设计与光侦测性能量佳化。晶体管M2是做为信号读出开关之用，而晶体管M3是做为预充电开关，将晶体管M1的栅极放电到一直流偏压电压值Vbias，并且在每一光电荷一集成周期(photocharge-integration)的初期，将发光二极管71重置。
图7B展示图7A中预充电开关M3、信号读出开关M2、电容器负载型重置开关M4等的时序图，以及图7A光敏器件应用例的读出信号。图7B所示的晶体管M3与M2分别导通的时间之间的时段，是本发明光敏器件的电荷集成时间。信号读出工作始于重置电容性负载C之时。重置电容性负载C的工作，是将一控制信号CLK(又称为「重置电容性负载信号」)加到晶体管M4的栅极，使电容性负载C重置到地电位。重置电容性负载C之后，读出工作的控制信号S2(又称为「读出控制信号」)变成活跃的(active)，接着电容性负载C就被充电(经由晶体管M1)到一电压位准，该电压位准大约低于发光二极管71的p+极的光电压(photovoltage)信号一差值，该差值接近于晶体管M1的阀值电压值。信号S2与CLK不能重叠，以确保能正确读出光信号。完成信号读出程序时，也就是控制信号S2下降时(inactive)，预充电信号S3(又称为「预充电控制信号」，是加于晶体管M3之栅极)变成活跃的(active)，使发光二极管71的p+极(也就是晶体管M1的栅极)被充电到偏压电压(或称偏置电压)Vbias的电压值，以便将图7A光敏器件初始化(initialize)，准备进入下一电荷集成周期。这预充电工作的目的如下：1.将p+n发光二极管71设定成反偏状态(reverse-biasedcondition)，以便进行光充电集成工作；2.设定n型MOS晶体管M1的直流偏压电压值，使晶体管M1在信号读出时能工作于高增益(high gain)活动区；3.将前一信号读出周期残留的光信号清除，并且消去影像延迟效应(after image effect)。
图7C展示图7A光敏器件在晶体管M1各不同阀值电压条件下，所计算出的光反应转移特性曲线。为了要模拟发光二极管71p+极上所堆积的电荷量，一些电荷从电压参考线(或点)被植入(经过预充电开关M3)到P+极。由图7C可看出，图7A光敏器件的转移特性曲线可分布于电源电压Vdd所能容许的全部工作范围。输出信号由阀值电压饱和到约4.3V。若晶体管M1的阀值电压Vto大于零(Vto＞0)，则对每一Vto值所绘的转移特性曲线可区分为下列区域：1.工作线斜率几乎为0的截止区(cutoff region)，此截止区的p+极(图7A的发光二极管71的p+极)的电压VP+是小于Vto；2.工作线斜率由0变为几乎等于1的过渡区(transition region)；3.工作线斜率大约为1，而且延伸到4伏特的实质线性活动区。本发明光敏器件就是设计在此区域内工作；4.工作线斜率缓慢减小的饱和区(saturation)。若晶体管M1的阀值电压Vto＜0，则对每一不同Vto所绘的转移特性曲线就只呈现出线性活动区与饱和区。因此，若将偏压电压Vbias接地，而本发明光敏器件的晶体管M1又具有负的阀值电压Vto，则本发明光敏器件就会自动工作于线性活动区。
图8展示一种偏压电压Vbias简单电路图，适用于图7A的晶体管M1的阀值电压Vto大于0的情况。对图7A中的发光二极管71的n极充电到偏压电压Vbias，则输出信号的直流偏移电压会大约保持恒定，不致于受到工作温度的影响而变动。这偏压电压Vbias的电路可与本发明光敏器件一起组装于一晶片上。
图9展示图7A本发明光敏器件的晶体管M1有负阀值电压时的栅极偏压式电荷集成型发光二极管的接线图。将偏压电压源Vbias接地，本发明光敏器件就会在VDD(电源电压)与地之间工作。
若需要针对直流偏移(DC Offset)与温度变化执行电压稳定化，则可以采用一差动读出技巧(differential readout technique)，也就是将图9的电路中的发光二极管91，以金属板遮蔽后，做为一种虚拟的(dummy)光敏器件，再将此虚拟光敏器件与其结合。
图10A展示一个由许多图7A所示光敏器件所组成的线性阵列影像感测装置。图10A只绘出三个光敏器件，来表达相邻光敏器件的控制时序关是。图中电路也包含有一电容性负载式读取放大器，其是包含有一电容性负载式信号读出电路102，以及一单增益(unity gain，也就是增益等于1)工作放大器(operational amplifier)101，该工作放大器是作为输出影像信号的缓冲放大器之用。这电路更包含有一数字扫描用的移位寄存器(shiftregister)，用来连续地依序启动(activates)每一光敏器件的信号读出开关。
用来操作图10A所示线性阵列的时序控制信号说明于图10B。时钟控制信号CLK连续地触发移位寄存器，并且重置电容性负载，迫使输出信号保持在地电位。当启始脉波控制信号(start pulse control signal)加到移位寄存器时，这些控制信号会连续依序触发(或启动)每一光敏器件的信号读出开关，以便输出光信号(photosignal)到电容性负载(经由电容性负载型源极跟踪式信号读出工作)。当数字移位寄存器启动一光敏器件的信号读出开关时，在先前一时钟周期被启动的相邻光敏器件正进行着预充电工作(根据来自该移位寄存器的相同控制信号)。这预充电工作为下一行要被扫描的光敏器件作准备。每一行所需积存电荷的时间大约等于一光敏器件的两接续信号出工作之间的时段长短。在电荷积存时间内，由入射光线所产生的信号电荷(signal charge)会累积在光敏器件的发光二极管，使发光二极管电压有一改变量Qs/Cd，该Qs是信号电荷，而Cd是该二极管的电容值。
图11A展示一个由许多图7A所示光敏器件所构成的面阵列影像感测装置。图中只绘出2×2排列的四个光敏器件，用以解说这影像感测装置工作所需的控制信号时序。图11A电路也包含每一行的电容性负载型读出与取样一保持电路112，以及用以输出影像信号的电容性负载型读出电路与缓冲放大器113。这电路更包含两个数字扫描用移位寄存器X，垂直移位寄存器Y，以及水平移位寄存器X，用以配合控制信号，一次一列地连续依序输出影像信号。
操作上述面阵列影像感测装置所需时序控制信号展示于图11B。同一列(例如第N列)的光敏器件平行地于同一时间被启动(被垂直移位寄存器Y的第N个输出信号启动)，而且同一列的光信号(指同一列上每个光敏器件所发出的影像信号)被输出到相对应的行电容性负载(每一行有一电容性负载)，并且存于该电容(指电容性负载的电容部份)成为一取样-保持信号。然后外加一启动脉波控制信号(start pulse control signal)到水平移位寄存器X，使这寄存器X连续依序启动，每一个取样-保持工作阶段所对应阶段所对应的信号读出开关，并且输出光信号到输出装置(缓冲放大器)，执行输出信号的工作。完成一列的信号读出工作后，垂直移位寄存器Y移位到下一列，并且不断重复以上所述的信号读出工作。
在执行每一列信号读出工作时，相同的移位寄存器也正对前一列的光敏器件进行预充电工作。这预充电工作允许光敏器件开始为下一幅(frame)待扫描的影像进行电荷集成工作。每一幅影像的电荷集成时间，大约等于一列光敏器件的两接序信号读出工作之间的时间。由于设计这光敏器件的简易性，以及使用电容性负载型读出路，这面阵列影像感测器工作所需时序控制信号的电路设计，就变得很经济而且有效率。卓越的灵敏度与防止电子溢流之辉散现象(anti-blooming)的特性将是本发明光敏器件的优势。
图12A展示本发明光敏器件的另一实施例。这实施例包含图7A所示光敏器件，以及一开关可重置式电容器负载(switch-resettable capacitorload)。该开关可重置电容器负载有一缓冲放大器做为光信号的取样保持电路。这种光敏器件最好是，以图12A所示光敏器件所组成的线性阵列来说明，也就是以图13A所示线阵列影像感测装置来解说。
在图13A中，只有绘出三个光敏器件以说明这装置的工作所需的控制时序信号。图中电路也包含一接有缓冲放大器的电容性负载型信号读出电路133，用以输出影像信号。图中电路更包含一数字扫描移位寄存器132，用以连续地依序启动每一光敏器件的信号读出开关。
图13B展示上述线性阵列影像感测装置工作所需时序控制信号。信号读出工作始于，外加控制号S4到每一光敏器件的电容器重置(capacitor-reset)开关M4，将所有取样保持电容重置到地电位。然后控制信号S2(又称为「读出控制信号」)启动每一光敏器件的信号读出开关M2，这时发光二极管131内存在的光信号，就向对应的电容器充电(经由缓冲晶体管M1)，之后随着读出控制信号S2关去(turns off)信号读出开关M2，充到电容器的电荷信号就保留在电容器。接着，预充电控制信号S3启动(turns on)晶体管M3，以便向每一光敏器件的发光二极管131与晶体管M1进行预充电。此时这光敏器件就开始进行下一待扫描线的电荷集成工作。一扫描线的电荷集成时间大约等于，两个接序的预充电工作之间的时间。在电荷集成工作中，数字移位寄存器就连续地依序启动，取样保持电路中的每一信号读出开关，以便输出前一扫描工作的影像信号。这种影像感测装置的功能，事实上就如同一CCD线性阵列。CCD线阵列的每一光点(photosite)信号是在同一时间，以平行方式被传到其相对应的类比CCD移位寄存器所构成的存储器，然后在光感测器进行下一扫描工作的光信号集成时，这些被存在存储器的信号，会经由电荷感测放大器(charge-sensingamplifier)，连续地依序被移位出(shifted out)。图13A所示阵列可以用在那些采用三开关式发光二极管(switching LED)光源的彩色CIS(contact image sensor，也就是接触式影像感测器)扫描器上，以期减少每一扫描线的工作时间，而提高信号输出量(throughout)。
图14A展示本发明光敏器件的又一实施例。图中的光敏器件包含一电压重设式(voltage pickoff)电荷集成型发光二极管(依CMOS处理技术装于一p型基板)、以及一开关可重置式(switch-resettable)电容器负载。该开关可重置式电容器负载接有一缓冲放大器，做为发光二极管信号的取样保持之用。图15A所示线性阵列影像感测装置就是由图14A光敏器件所构成，其最适于用来解说图14A图光敏器件应用上的工作。
在图15A中，只有绘出三个上述的光敏器件；这三个光敏器件可用以说明这种影像感测装置工作所需的控制时序信号。图15A电路也包含电容器负载型信号读出电路，其接有一缓冲放大器，以便输出影像信号。图15A电路更包含一数字扫描移位寄存器，可以连续地依序启动每一光敏器件的信号输出开关。
图15B展示上述线性阵列影像感测装置工作所需时序控制信号。其读出影像信号的工作方式完全相同于图13A的影像感测装置，因此就不再于此详述。以这种方式构成这种线性阵列影像感测装置，有下列优点：1.可有效降低成本，因为p型基板较普遍地用于标准的CMOS制造过程技术；2.每一光敏器件的重置开关(图15A中的M3)与信号读出开关(图15A中的M2)可以用某一控制信号启动，所以工作中晶体管M3与M2所引起的体效应(bodyeffect)，可以藉由将这两晶体管以传送闸晶体管(transmission gatetransistors)取代来消除，而在电路设计上所付出的代价却很小。图13A与图15A所示阵列电路之间的差异，在于输出信号位准与入射光强度之间的关是。图13A的阵列电路的影像输出信号会随入射光强度的增加而提高，但图15A所示的影像输出信号却会随入射光强度的增加而变小。
图16A展示一电路，其包含图7A所示的光敏器件，以及一用来输入控制信号S3，以重置晶体管M1(也就是图7A中的M1)源极到地电位的MOS开关M8。
图16B展示一电路，其包含图7A所示光敏器件，以及一用来输入该预充电控制信号S3，以重置晶体管M1(也就是图7A中的M1)源极到偏压电压Vbias(或称偏置电压)的MOS开关M8。
图16C展示一电路，其包含图7A所示光敏器件，以及一用来输入该预充电控制信号S3，以重置晶体管M1(也就是图7A中的M1)源极到晶体管M3(也就是图7A中的M3)的源极电位。
在图7A所示光敏器件的预充电期间，晶体管M1的源极是浮动的(floating)，而且含有前一信号读出周期所遗留的电荷信号，会产生相邻的输出信号之间的互相干扰(crosstalk)，或读出信号的固定形式的杂讯(fised pattern noise)。但若在预充电期间，藉由一连接在晶体管M1源极与电压源(正端或接地端)之间的MOS开关(或称源极重置开关)，将晶体管M1源极重置，则上述不良效应可以被消除。但这种电路配置会产生一暂态电流(transient current)由电源的VDD端经过晶体管M1与源极重置开关等流向电压源或地线。针对光敏器件的此现象所作的新修正电路，正是图16所展示，也正是本发明光敏器件的特色之一。
图17A展示一电路，其是采用CMOS制造过程技术，将一闸偏压式电荷集成型发光二极管171装于一p型基本上的电路，其中包含一电容器负载型源极跟踪式信号读出电路172。
图17B展示图17A中发光二极管171、栅极预充电开关M3、信号读出开关M2、以及电容器负载型重置开关M4等的时序图，也展示了图17A光敏器件应用例的输出信号。
图17C展示图17A的光敏器件，在晶体管M1设定于各种不同的阀值电压情况下，所计算出的光反应转移特性曲线。
图18展示图17A光敏器件的一种修正电路，适用于其晶体管M1的阀值电压Vto大于0的情况。电压参考电路可以省略，而偏压电压也Vbias可以连接到Vdd。
本发明并不受限于上述揭露说明。以上实施例的说明在于使熟悉相关技术者易于了解本发明，而非限定本发明的专利范围，故凡未脱离本发明的精神或原理所为的修饰或变更，仍包含在以下所述的申请专利范围中。

Claims (23)

1、一种CMOS光敏器件，用于接照射光以产生光信号，其特征在于该光敏器件包含：
一发光二极管，包含一电荷聚集极及连接一电压源或连接一地线之一输入极，当该发光二极管接收照射光时，该电荷聚集极因照射光以累积电荷而使电位升高；
一栅极偏压型可储存电荷MOS晶体管，具有可调阀值电压，其包含一偏压储存极连接该电荷聚集极，其又包含一电源电压输入极连接该电压源、与一输出端因电荷聚集极的电位而输出一光信号；
一预充电开关，其与该发光二极管及该栅极偏压型可储存电荷MOS晶体管相连接，当该预充电开关接收一预充电控制信号时，该预充电开关将会加一参考电压于该偏压储存极；以及
一信号读出开关，含有一第一端与一第二端，该第一端连接该栅极偏压型可储存电荷MOS晶体管的输出端，当该信号读出开关接收一读出控制信号时，该第二端经由该第一端接收该栅极偏压型可储存电荷MOS晶体管的输出端所输出的光信号。
2、如权利要求1所述的CMOS光敏器件，其特征在于：该发光二极管是一种pn结结构，其在一n型基板上形成一p+扩散层所形成，其P+极就是该电荷聚集极，其n极就是该输入极，就是一连接一该电压源的n型基板。
3、如权利要求1所述的CMOS光敏器件，其特征在于：其中该预充电开关包含一第一极连接该偏压储存极，一第二极接收该预充电控制信号，一第三极连接一供应该参考电压的电压源。
4、如权利要求1所述的CMOS光敏器件，其特征在于：其中该栅极偏压型可储存电荷MOS晶体管是一种n型MOS晶体管，其漏极是该电源电压输入极，其源极是该输出端，其栅极是该偏压储存极。
5、如权利要求3所述的CMOS光敏器件，其特征在于：其中该预充电开关是一n型MOS晶体管，该预充电开关的第一极是该n型MOS晶体管的漏极，第二极是该n型MOS晶体管的栅极，第三极是该n型MOS晶体管的源极。
6、如权利要求1所述的CMOS光敏器件，其特征在于：其中该信号读出开关是一种n型MOS晶体管，该信号读出开关的第一端是该n型MOS晶体管的漏极，第二端是该n型MOS晶体管的源极，该n型MOS晶体管因应其栅极接收该读出控制信号而导通，使该信号读出开关的第二端，能经由其第一端接收该栅极偏压型可储存电荷MOS晶体管的输出端的光信号。
7、如权利要求1所述的CMOS光敏器件，其特征在于：其中该预充电开关，在该发光二极管接收一照射光之前，将该偏压储存极充电到该参考电压，使该栅极偏压型可储存电荷MOS晶体管，在该发光二极管接收该照射光时，就工作于动态区，其转移特性曲线的斜率接近于一常数，因而该输出端所输出的光信号呈将该偏压储存极电位的高低而呈一定比例变化，也就是该输出端所输出的光信号呈一定比例随该电荷聚集极电位的高低而变化，因而也就是该输出端所输出的光信号随该照射光强度的变化而呈一定比例变化。
8、如权利要求7所述的CMOS光敏器件，其特征在于：其中该参考电压稍高于该栅极偏压型可储存电荷MOS晶体管的阀值电压。
9、如权利要求7所述的CMOS光敏器件，其特征在于：其中该参考电压适于将前一照射光所遗留在该电荷聚集极的电荷重置，以避免影像滞后效应。
10、如权利要求7所述的CMOS光敏器件，其特征在于：其中该栅极偏压型可储存电荷MOS晶体管的阀值电压为负值时，该参考电压为地电位，使该栅极偏压型可储存电荷MOS晶体管，在该发光二极管接收照射光时，会自动工作于动态区。
11、如权利要求1所述的CMOS光敏器件，其特征在于：更包含一可重置电容性负载，用以接收该信号读出开关的第二端的光信号，但每次收该光信号之前，会因应一重置电容性负载信号而重置为地电位。
12、如权利要求11所述的CMOS光敏器件，其特征在于：其中该可重置电容性负载包含一电容重置开关，因应该重置电容性负载信号，将该电容性负载重置为地电位。
13、如权利要求1所述的CMOS光敏器件，其特征在于：是根据CMOS技术造于p型基板，其中该发光二极管是一种np结结构，其是在一p型基板上形成一n+扩散层所形成；该栅极偏压型可储存电荷MOS晶体管具有可调阀值电压，并且该可调阀值电压可为正值，也可为负值；该预充电开关可为一种p型MOS晶体管；该信号读出开关可为一种p型MOS晶体管；发光二极管的n+极即为该该电荷聚集极连接该偏压储存极，p极即为该输入极连接该地线；该栅极偏压型可储存电荷MOS晶体管的漏极接地，源极接该信号读出开关的第一端。
14、如权利要求13所述的CMOS光敏器件，其特征在于：其中该栅极偏压型可储存电荷MOS晶体管的栅极连接该发光二极管的n+极，源极与该信号读出开关p型MOS晶体管的漏极连接；用做该信号读出开关的p型MOS晶体管的栅极接收该读出控制信号，源极因应该读出控制信号，会经过漏极接收该栅极偏压型可储存电荷MOS晶体管的源极上的光信号，用做该预充电开关的p型MOS晶体管栅极，接收该预充电控制信号，源极接该参考电压，漏极接该发光二极管的n+极。
15、如权利要求1或14所述的CMOS光敏器件，其特征在于：其中该栅极偏压型可储存电荷MOS晶体管的阀值电压为负值时，该参考电压低于该电压源电压与该阀值电压的相加值。
16、如权利要求1或14所述的CMOS光敏器件，其特征在于：其中该栅极偏压型可储存电荷MOS晶体管的阀值电压为正值时，该参考电压为电源电压的电位。
17、一线阵列影像感测装置，用于感测一线状影像，其特征在于，其是包含有一扫描移位寄存器、一电容性负载式读取放大器及多個光敏器件，该多個光敏器件並呈线状排列之方式設在一硅基板上，该每一光敏器件包含：
一发光二极管，包含一电荷聚集极及连接一电压源或连接一地线之一输入极，当该发光二极管接收照射光时，该电荷聚集极因应该照射光以累积电荷而使电位会升高；
一栅极偏压型可储存电荷MOS晶体管，具有可调阀值电压，其包含一偏压储存极连接该电荷聚集极，其又包含一电源电压输入极连接该电压源、与一输出端因应该电荷聚集极的电位而输出一光信号；
一预充电开关，其是与该发光二极管及该栅极偏压型可储存电荷MOS晶体管相连接，当该预充电开关接收一预充电控制信号时，该预充电开关将会加一参考电压于该偏压储存极；及
一信号读出开关，含有一第一端与一第二端，该第一端连接该栅极偏压型可储存电荷MOS晶体管的输出端，当该信号读出开关接收一读出控制信号时，该第二端经由该第一端接收该栅极偏压型可储存电荷MOS晶体管的输出端所输出的光信号；
该扫描移位寄存器，是与每一该光敏器件之该信号读出开关相连接，以连续启动该信号读出开关以读出每一该光敏器件之影像光信号，即让该信号读出开关之该第二端输出所接收之光信号，且该扫描移位寄存器尚与每一该光敏器件之该预充电开关之相连接，以重置该光敏器件至该参考电压，即启动该预充电开关使加参考电压于该偏压储存极；
该电容性负载式读取放大器，其是包含有一缓冲放大器，该缓冲放大器是与每一该光敏器件之该信号读出开关之该第二端相连接，以接收每一该光敏器件发出之光信号。
18、一面阵列影像感测装置，用于感测一面状影像，其特征在于包含：
一垂直(行)数字扫描移位寄存器Y、多个电容性负载型取样保持放大器、一水平(列)数字扫描移位寄存器X及多个光敏器件，该多个光敏器件呈行状及列状排列之方式設在一硅基板上以形成面状排列的光敏器件，该每一光敏器件包含：
一发光二极管，包含一电荷聚集极及连接一电压源或连接一地线之一输入极，当该发光二极管接收照射光时，该电荷聚集极因应该照射光以累积电荷而使电位会升高；
一栅极偏压型可储存电荷MOS晶体管，具有可调阀值电压，其包含一偏压储存极连接该电荷聚集极，其又包含一电源电压输入极连接该电压源、与一输出端因应该电荷聚集极的电位而输出一光信号；
一预充电开关，其是与该发光二极管及该栅极偏压型可储存电荷MOS晶体管相连接，当该预充电开关接收一预充电控制信号时，该预充电开关将会加一参考电压于该偏压储存极；以及
一信号读出开关，含有一第一端与一第二端，该第一端连接该栅极偏压型可储存电荷MOS晶体管的输出端，当该信号读出开关接收一读出控制信号时，该第二端经由该第一端接收该栅极偏压型可储存电荷MOS晶体管的输出端所输出的光信号；
该垂直(行)数字扫描移位寄存器Y，其是包含有多个接脚，该每一接脚是分别对应于该面状排列光敏器件的每一行，並与该行之每一该光敏器件之该信号读出开关相连接，以连续启动每一行之每一该信号读出开关以读出每一该光敏器件之影像光信号，即让该信号读出开关之该第二端输出所接收之光信号，且该垂直(行)数字扫描移位寄存器Y之每一该接脚是分别尚与所对应行之上一行的每一该光敏器件之该预充电开关相连接，以重置每一行之每一该光敏器件至该参考电压，即启动该预充电开关使加参考电压于该偏压储存极；
该多个电容性负载型取样保持放大器，每一该电容性负载型取样保持放大器是分别对应于该面状排列光敏器件的每一列，並与该列之每一该光敏器件之该信号读出开关之该第二端相连接，以连续接收每一行，每一列的该光敏器件发出之光信号；
该水平(列)数字扫描移位寄存器X，其是包含有多个接脚，该每一接脚是分别连接至每一该电容性负载型取样保持放大器之信号读出开关，以连续启动信号读出开关以读出储存于每一该多个电容性负载型取样保持放大器之光信号。
19、一光敏器件，用以感测一影像的照射光强度，而发出随照射光强度变化的光信号，其特征在于：其包含：
一发光二极管，其是一种np结结构，其是在一p型基板上形成一n+扩散层所形成，即该发光二极管是包含有一n+极与一p极，该p极是连接一地线；
一第一MOS晶体管，其连接一电压源与该发光二极管的n+极，以接收发光二极管输出之光訊号；
一第二MOS晶体管，其是与该第一MOS晶体管相连接並接收一读出控制信号，当该第二MOS晶体接收该读出控制信号时，会将该第一MOS晶体管接收之光信号，经由该第二MOS晶体管傅到一输出电路；
一第三MOS晶体管，其连接该电压源或连接一参考电压源，该第三MOS晶体管另外连接该发光二极管的n+极，並接收一預充电控制信号；
该输出电路包含一取样保持电容器、一第四MOS晶体管、一第五MOS晶体管、以及一第六MOS晶体管；
该第四MOS晶体管是接收一电容重置信号，以将与该第四MOS晶体管相连接之该取样保持电容器重置，而该第四MOS晶体管並连接该地线，该第五MOS晶体管是与该取样保持电容器相连接而用以缓冲放大该取样保持电容器的信号，该第五MOS晶体管是连接该电压源，並与该第六MOS晶体管相连接，该第六MOS晶体管是接收一输出控制信号，将第六MOS晶体管接收该第五MOS晶体管缓冲放大后的信号输出。
20、如权利要求1所述的CMOS光敏器件，其特征在于：更包含一MOS晶体管，其漏极连接该栅极偏压型可储存电荷MOS晶体管的源极，其源极连接一指定电位，其栅极接收一重置控制信号，将该栅极偏压型可储存电荷MOS晶体管的源极，重置到该指定电位。
21、如权利要求20所述的CMOS光敏器件，其特征在于：其中该MOS晶体管可以选用n型晶体管及p型晶体管二种晶体管中的任一种。
22、如权利要求3所述的CMOS光敏器件，其特征在于：更包含一MOS晶体管，其漏极连接该栅极偏压型可储存电荷MOS晶体管的源极，其源极连接该预充电开关的第一极，其栅极接收一重置控制信号，将该栅极偏压型可储存电荷MOS晶体管的源极，重置到该预充电开关的第一极的电位。
23、如权利要求7所述的CMOS光敏器件，其特征在于：其中该转移特性曲线的斜率，在动态工作区内为一常数，而在饱和工作区内缓慢变小。
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