CN114739433A - 一种光电传感器信号读取电路及光电传感器装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光电传感器信号读取电路及光电传感器装置，通过将传感器件两端的反向偏压固定，确保在同一光强下，传感器件产生的光电流大小相等，即传感器件在反偏状态下光电特性稳定；然后通过采用电流镜模块将传感器件产生的光电流完全映射到存储电容上，存储电容的一端接固定电位(第一电源端)，另一端的电位随光电流的变化会发生变化；通过读出模块读取存储电容存储的电荷，可以有效解决传感器件在反偏状态光电特性不稳定的问题，确保所读取的信号量真实反映传感器件的光电特性。因此本发明实施例中的传感器件在不同光强下，灰阶线性度较好。
Description
技术领域
本发明涉及信号读取电路技术领域，特别涉及一种光电传感器信号读取电路及光电传感器装置。
背景技术
随着生物、材料、电子等领域蓬勃发展，人们运用各式各样的传感器检测信号，对信号进行分析加以应用。如近几年人们使用的可移动智能设备和可穿戴智能设备，利用光、电、生物和化学传感器实时地捕捉人体的运动、健康等信息。
通常传感器进行微弱信号检测，是把被测物理量转换成易于输出读取的电信号，进一步接入信号放大集成电路进行处理。不同类型传感器的工作原理不同，有光电式、电阻式、电容式和压电式等。
发明内容
本发明实施例提供一种光电传感器信号读取电路及光电传感器装置，用以解决现有技术中的雪崩光电二极管在反偏状态下光电特性不稳定的问题。
本发明实施例提供了一种光电传感器信号读取电路，包括：传感器件，电流镜模块、存储电容和读出模块；所述传感器件电连接于第一电源端和所述电流镜模块的电流输入端之间，所述存储电容电连接于所述第一电源端和所述电流镜模块的电流输出端之间，所述读出模块电连接于所述存储电容和所述电流镜模块的电流输出端之间，所述电流镜模块的电压输入端与第二电源端电连接；其中，
所述传感器件被配置为将接收的光信号转换为第一电流信号并输出；
所述电流镜模块被配置为接收所述第一电流信号，并输出与所述第一电流信号成比例的第二电流信号；
所述读出模块被配置为读取所述存储电容存储的电荷。
可选地，在本发明实施例提供的上述光电传感器信号读取电路中，所述传感器件包括雪崩光电二极管和第一电容，所述第一电容的第一电极板与所述第一电源端电连接，所述第一电容的第二电极板与所述电流镜模块的电流输入端电连接，所述雪崩光电二极管的第一端与所述第一电源端电连接，所述雪崩光电二极管的第二端与所述电流镜模块的电流输入端电连接。
可选地，在本发明实施例提供的上述光电传感器信号读取电路中，所述电流镜模块包括第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管的漏极为所述电流镜模块的电流输入端，所述雪崩光电二极管的第二端还与所述第一晶体管的栅极和所述第二晶体管的栅极电连接，所述第一晶体管的源极与所述第二晶体管的源极均与所述第二电源端电连接，所述第二晶体管的漏极为所述电流镜模块的电流输出端。
可选地，在本发明实施例提供的上述光电传感器信号读取电路中，所述读出模块包括第三晶体管，所述第三晶体管的栅极与控制端电连接，所述第三晶体管的源极与所述第二晶体管的漏极电连接，所述第三晶体管的漏极作为信号输出端。
可选地，在本发明实施例提供的上述光电传感器信号读取电路中，所述雪崩光电二极管包括依次层叠设置的重掺杂N型区、第一类掺杂区、第二类掺杂区和重掺杂P型区；
所述重掺杂P型区为所述雪崩光电二极管的第二端，所述重掺杂N型区为所述雪崩光电二极管的第一端。
可选地，在本发明实施例提供的上述光电传感器信号读取电路中，所述雪崩光电二极管包括依次层叠设置的重掺杂N型区、第一类掺杂区、第二类掺杂区、第三类掺杂区和重掺杂P型区；
所述重掺杂P型区为所述雪崩光电二极管的第二端，所述重掺杂N型区为所述雪崩光电二极管的第一端。
可选地，在本发明实施例提供的上述光电传感器信号读取电路中，所述第二晶体管的宽长比为所述第一晶体管的宽长比的整数倍。
可选地，在本发明实施例提供的上述光电传感器信号读取电路中，所述第一电源端的电压为正向偏压，所述第二电源端的电压为负向偏压。
可选地，在本发明实施例提供的上述光电传感器信号读取电路中，所述第一晶体管、所述第二晶体管和所述第三晶体管均为N型晶体管。
相应地，本发明实施例还提供了一种光电传感器装置，包括本发明实施例提供的上述光电传感器信号读取电路。
本发明的有益效果如下：
本发明实施例提供的光电传感器信号读取电路及光电传感器装置，通过将传感器件两端的反向偏压固定，确保在同一光强下，传感器件产生的光电流大小相等，即传感器件在反偏状态下光电特性稳定；然后通过采用电流镜模块将传感器件产生的光电流完全映射到存储电容上，存储电容的一端接固定电位(第一电源端)，另一端的电位随光电流的变化会发生变化；通过读出模块读取存储电容存储的电荷，可以有效解决传感器件在反偏状态光电特性不稳定的问题，确保所读取的信号量真实反映传感器件的光电特性。因此本发明实施例中的传感器件在不同光强下，灰阶线性度较好。
附图说明
图1为PIN结构的光电二极管的结构示意图；
图2为PIN结构的光电二极管的读取电路；
图3为图2所示的PIN结构的光电二极管的I-V曲线；
图4为一种PIPN结构的雪崩光电二极管的结构示意图；
图5为图4所示的PIPN结构的雪崩光电二极管的I-V曲线；
图6为本发明实施例提供的一种光电传感器信号读取电路的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种光电传感器信号读取电路的具体结构示意图；
图8为又一种PIPN结构的雪崩光电二极管的结构示意图；
图9为图4所示的雪崩光电二极管的电场分布图；
图10为图8所示的雪崩光电二极管的电场分布图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
需要注意的是，附图中各图形的尺寸和形状不反映真实比例，目的只是示意说明本发明内容。并且自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
光电传感器的应用场景十分广泛，包括指纹识别、掌纹识别、指静脉识别、健康监测项目中的心率与血氧检测等，其中指纹识别是利用纹谷纹脊对于光线的反射率不同，光电传感器接收的信号量就有差异，将信号量转化成灰度值，这样就可以读出指纹图像，目前广泛应用于手机屏下解锁。
现有技术中，基于PIN结构的光电二极管(PD)的结构示意图，如图1所示，PIN结构的光电二极管，P端接负压，N端接正压，I层为光子吸收区，在I层的电子空穴对吸收光子能量而分离，在电场力的作用下，电子向N端移动，空穴向P端移动。以PIN结构的光电二极管应用于指纹识别器件为例，手指反射至PIN的光信号被转换为电信号，可以通过一读取电路读取该电信号实现指纹识别，如图2所示，图2为基于PIN的光电二极管的读取电路，该读取电路仅包括一晶体管Tsel。如图3所示，基于PIN的光电二极管的I-V特性在较大电压范围内(-6V～-2V)保持稳定的光电流，因此现有技术中填充采用一个读取晶体管Tsel即可实现电信号的读取，P端接VSS(Vbias)电压，N端在曝光过程中则是处于悬空状态，没有接固定电压，即使其电位下降，仍然可以保持稳定的光电流。因此，现有的PIN结构的光电二极管采用一个晶体管Tsel就可实现光电信号的采集。
为了提高读取的信号量以提高指纹识别的灵敏度和精度，如图4所示，采用PIPN结构的雪崩光电二极管(APD)代替PIN结构的光电二极管，APD中光生载流子在电场的作用下漂移进入雪崩区。雪崩区内部具有较强的电场，光生载流子在高电场的作用下加速，与雪崩区的晶格原子产生碰撞电离，产生新的电子空穴对，从而形成载流子的倍增。然而，如图5所示，APD的光电特性在较大电压范围内(-6V～-2V)随电压变化而发生变化，主要原因是APD的倍增因子随偏置电压变化而变化，如公式：
其中M是倍增因子，U为APD的驱动电压，Ub为击穿电压，n为与材料和结构有关的常数，一般为2.5～7。倍增因子M不同，光电流大小也会不同。本案的发明人经过实测发现，APD在不同光照强度下的I-V特性曲线是不同的，若APD的读取电路采用图2所示的一个晶体管Tsel，P端接VSS(Vbias)电压，N端在曝光过程中则是处于悬空状态，由于APD的光电流随电压发生变化(图5所示)，则读取的电信号包括APD自身变化的电信号和指纹反射光对应的电信号，无法判断出指纹识别信号的信号量，因此图2所示的读取电路不适用于APD。
有鉴于此，本发明实施例提供了一种光电传感器信号读取电路，如图6所示，包括：传感器件10，电流镜模块20、存储电容C1和读出模块30；传感器件10电连接于第一电源端VDD和电流镜模块20的电流输入端Iin之间，存储电容C1电连接于第一电源端VDD和电流镜模块20的电流输出端Iout之间，读出模块30电连接于存储电容C1和电流镜模块20的电流输出端Iout之间，电流镜模块20的电压输入端与第二电源端VSS电连接；其中，
传感器件10被配置为将接收的光信号转换为第一电流信号并输出；
电流镜模块20被配置为接收第一电流信号，并输出与第一电流信号成比例的第二电流信号；
读出模块30被配置为读取存储电容C1存储的电荷。
本发明实施例提供的上述光电传感器信号读取电路，通过将传感器件10两端的反向偏压固定，确保在同一光强下，传感器件10产生的光电流大小相等，即传感器件10在反偏状态下光电特性稳定；然后通过采用电流镜模块20将传感器件10产生的光电流完全映射到存储电容C1上，存储电容C1的一端接固定电位(第一电源端)，另一端的电位随光电流的变化会发生变化；通过读出模块30读取存储电容C1存储的电荷，可以有效解决传感器件10在反偏状态光电特性不稳定的问题，确保所读取的信号量真实反映传感器件的光电特性。因此本发明实施例中的传感器件10在不同光强下，灰阶线性度较好。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述光电传感器信号读取电路中，如图7所示，传感器件10包括雪崩光电二极管APD和第一电容CAPD，第一电容CAPD的第一电极板与第一电源端VDD电连接，第一电容CAPD的第二电极板与电流镜模块20的电流输入端Iin电连接，雪崩光电二极管APD的第一端与第一电源端VDD电连接，雪崩光电二极管APD的第二端与电流镜模块20的电流输入端Iin电连接。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述光电传感器信号读取电路中，如图7所示，电流镜模块20包括第一晶体管T1和第二晶体管T2，第一晶体管T1的漏极为电流镜模块20的电流输入端Iin，雪崩光电二极管APD的第二端还与第一晶体管T1的栅极和第二晶体管T2的栅极电连接，第一晶体管T1的源极与第二晶体管T2的源极均与第二电源端VSS电连接，第二晶体管T2的漏极为电流镜模块20的电流输出端Iout。
具体地，目前的光电流在nA级别，且光电流的变化量在10％以内，该光电流的变化量基本不会改变第一晶体管T1的栅源电压Vgs，因此雪崩光电二极管APD两端的压差基本保持不变，从而雪崩光电二极管APD的I-V特性在较大电压范围内(-6V～-2V)保持稳定的光电流。这样采用电流镜模块20将雪崩光电二极管APD产生的第一电流信号成比例的镜像到电流镜模块20的电流输出端Iout(即输出第二电流信号)，第二电流信号对存储电容C1进行充电，通过读出模块30读取存储电容C1存储的电荷，例如实现指纹检测。由于本发明实施例提供的雪崩光电二极管APD的I-V特性在较大电压范围内可以保持稳定的光电流，因此读出模块30读取的电荷为雪崩光电二极管APD采集的光信号对应的电信号，因此本发明可以有效解决雪崩光电二极管APD在反偏状态光电特性不稳定的问题，确保所读取的信号量真实反映雪崩光电二极管APD的光电特性。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述光电传感器信号读取电路中，如图7所示，读出模块30包括第三晶体管Tsel，第三晶体管Tsel的栅极与控制端G电连接，第三晶体管Tsel的源极与第二晶体管T2的漏极电连接，第三晶体管Tsel的漏极作为信号输出端OUT。具体地，第二晶体管T2的漏极输出的第二电流信号对存储电容C1进行充电，第三晶体管Tsel读取存储电容C1存储的电荷。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述光电传感器信号读取电路中，如图4所示，雪崩光电二极管APD包括依次层叠设置的重掺杂N型区(N+)、第一类掺杂区(如P型区)、第二类掺杂区(如本征层I)和重掺杂P型区(P+)；
重掺杂P型区(P+)为雪崩光电二极管APD的第二端，重掺杂N型区(N+)为雪崩光电二极管APD的第一端。
具体地，如图4所示，雪崩光电二极管APD仍然是一个P-N结的结构形式，光子(箭头所示)从P+层射入，进入本征层I后，光生载流子在电场的作用下漂移进入雪崩区。雪崩区内部具有较强的电场，光生载流子在高电场的作用下加速，与雪崩区的晶格原子产生碰撞电离，产生新的电子空穴对，从而形成载流子的倍增。图4所示的雪崩光电二极管APD形成的电场分布如图9所示。
如图7所示，通过第一电源端VDD输入正向偏压，通过第二电源端VSS输入较大的反向偏压，入射光照射至雪崩光电二极管APD，雪崩光电二极管A输出倍增的光电流(第一电流信号)，该第一电流信号通过电流镜模块20(第一晶体管T1和第二晶体管T2)镜像至电流输出端IOUT，即电流输出端IOUT输出第二电流信号，该第二电流信号对存储电容C1进行充电，第三晶体管Tsel读取存储电容C1存储的电荷并传输至外部IC。若本发明实施例提供的雪崩光电二极管APD应用于指纹识别器件，则照射至雪崩光电二极管APD的入射光为指纹反射的光，从而可以进行指纹识别；若本发明实施例提供的雪崩光电二极管APD应用于平板探测器，则照射至雪崩光电二极管APD的入射光为闪烁体层将X射线转换成的可见光，从而可以应用于医用x-ray探测器；当然本发明实施例提供的雪崩光电二极管APD不限于应用于指纹识别领域和医用x-ray探测器领域。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述光电传感器信号读取电路中，如图8所示，雪崩光电二极管APD可以包括依次层叠设置的重掺杂N型区(N+)、第一类掺杂区(如本征层I)、第二类掺杂区(如P型区)、第三类掺杂区(如本征层I)和重掺杂P型区(P+)；
重掺杂P型区(P+)为雪崩光电二极管APD的第二端，重掺杂N型区(N+)为雪崩光电二极管APD的第一端。
图8所示的雪崩光电二极管APD相比于图4所示的雪崩光电二极管APD，增加了一层第三类掺杂区(本征层I)，形成的电场分布更平滑，如图10所示。
需要说明的是，图8所示的雪崩光电二极管APD的工作原理与图4所示的雪崩光电二极管APD的工作原理基本相同，区别仅在于，但是二者的工作原理相同，因此在此不对图8所示的雪崩光电二极管APD的工作原理进行说明，参见上述图4所示的雪崩光电二极管APD的工作原理。
需要说明的是，本发明实施例提供的上述图4和图8的雪崩光电二极管APD仅是列举的其中两种结构，当然还可以为其它结构的雪崩光电二极管。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述光电传感器信号读取电路中，如图7所示，第二晶体管T2的宽长比W2/L2为第一晶体管T1的宽长比W1/L1的整数倍。具体地，当第二晶体管T2的宽长比W2/L2与第一晶体管T1的宽长比W1/L1一样时，雪崩光电二极管APD产生的第一电流信号会完全转移映射到第二晶体管T2的漏极；当第二晶体管T2的宽长比W2/L2是第一晶体管T1的宽长比W1/L1的2倍时，第二晶体管T2的漏极可以产生两倍的第一电流信号，第二晶体管T2的宽长比W2/L2和第一晶体管T1的宽长比W1/L1可以根据实际需要进行灵活调整。
需要说明的是，第二晶体管T2和第一晶体管T1在同一个器件内，二者的特性基本一致。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述光电传感器信号读取电路中，如图7所示，第一电源端VDD的电压为正向偏压(例如加载2V、3V等电压)，第二电源端VSS的电压为负向偏压(例如加载-6V～-2V的电压)。
在具体实施时，为了降低晶体管的制作工艺，在本发明实施例提供的上述光电传感器信号读取电路中，如图7所示，第一晶体管T1、第二晶体管T2和第三晶体管Tsel均为N型晶体管。当然，第一晶体管T1、第二晶体管T2和第三晶体管Tsel也可以均为P型晶体管。
综上所述，本发明通过采用图7所示的光电传感器信号读取电路，由于雪崩光电二极管APD的一端电连接第一电源端VDD，雪崩光电二极管APD的另一端电连接第一晶体管T1的漏极，而第一晶体管T1的漏极的电压变化较小(由于雪崩光电二极管APD采集的光电流的变化量在10％以内)，因此雪崩光电二极管APD两端的压差基本不变，第一电容CAPD是本征电容(固定值)，因此通过采用第一晶体管TI和第二晶体管T2组成的电流镜模块20，将第一晶体管T1的漏极输入的第一电流信号镜像至第二晶体管T2的漏极，第二晶体管T2的漏极输出第二电流信号，该第二电流信号对存储电容C1进行充电，第三晶体管Tsel通过读取存储电容C1存储的电荷，实现读取外界光信号对应的电信号，进而实现光电检测。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种光电传感器装置，包括本发明实施例提供的上述任一种光电传感器信号读取电路。该光电传感器装置解决问题的原理与前述光电传感器信号读取电路相似，因此该光电传感器装置的实施可以参见前述光电传感器信号读取电路的实施，重复之处在此不再赘述。
本发明实施例提供的上述光电传感器装置可以应用于显示屏的指纹识别，可以应用于医用x-ray探测器，还可用于其他方面如空间核探测、生物微光探测等。
本发明实施例提供的光电传感器信号读取电路及光电传感器装置，通过将传感器件两端的反向偏压固定，确保在同一光强下，传感器件产生的光电流大小相等，即传感器件在反偏状态下光电特性稳定；然后通过采用电流镜模块将传感器件产生的光电流完全映射到存储电容上，存储电容的一端接固定电位(第一电源端)，另一端的电位随光电流的变化会发生变化；通过读出模块读取存储电容存储的电荷，可以有效解决传感器件在反偏状态光电特性不稳定的问题，确保所读取的信号量真实反映传感器件的光电特性。因此本发明实施例中的传感器件在不同光强下，灰阶线性度较好。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种光电传感器信号读取电路，其特征在于，包括：传感器件，电流镜模块、存储电容和读出模块；所述传感器件电连接于第一电源端和所述电流镜模块的电流输入端之间，所述存储电容电连接于所述第一电源端和所述电流镜模块的电流输出端之间，所述读出模块电连接于所述存储电容和所述电流镜模块的电流输出端之间，所述电流镜模块的电压输入端与第二电源端电连接；其中，
所述传感器件被配置为将接收的光信号转换为第一电流信号并输出；
所述电流镜模块被配置为接收所述第一电流信号，并输出与所述第一电流信号成比例的第二电流信号；
所述读出模块被配置为读取所述存储电容存储的电荷。
2.如权利要求1所述的光电传感器信号读取电路，其特征在于，所述传感器件包括雪崩光电二极管和第一电容，所述第一电容的第一电极板与所述第一电源端电连接，所述第一电容的第二电极板与所述电流镜模块的电流输入端电连接，所述雪崩光电二极管的第一端与所述第一电源端电连接，所述雪崩光电二极管的第二端与所述电流镜模块的电流输入端电连接。
3.如权利要求2所述的光电传感器信号读取电路，其特征在于，所述电流镜模块包括第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管的漏极为所述电流镜模块的电流输入端，所述雪崩光电二极管的第二端还与所述第一晶体管的栅极和所述第二晶体管的栅极电连接，所述第一晶体管的源极与所述第二晶体管的源极均与所述第二电源端电连接，所述第二晶体管的漏极为所述电流镜模块的电流输出端。
4.如权利要求3所述的光电传感器信号读取电路，其特征在于，所述读出模块包括第三晶体管，所述第三晶体管的栅极与控制端电连接，所述第三晶体管的源极与所述第二晶体管的漏极电连接，所述第三晶体管的漏极作为信号输出端。
5.如权利要求2-4任一项所述的光电传感器信号读取电路，其特征在于，所述雪崩光电二极管包括依次层叠设置的重掺杂N型区、第一类掺杂区、第二类掺杂区和重掺杂P型区；
所述重掺杂P型区为所述雪崩光电二极管的第二端，所述重掺杂N型区为所述雪崩光电二极管的第一端。
6.如权利要求2-4任一项所述的光电传感器信号读取电路，其特征在于，所述雪崩光电二极管包括依次层叠设置的重掺杂N型区、第一类掺杂区、第二类掺杂区、第三类掺杂区和重掺杂P型区；
所述重掺杂P型区为所述雪崩光电二极管的第二端，所述重掺杂N型区为所述雪崩光电二极管的第一端。
7.如权利要求3所述的光电传感器信号读取电路，其特征在于，所述第二晶体管的宽长比为所述第一晶体管的宽长比的整数倍。
8.如权利要求1-4任一项所述的光电传感器信号读取电路，其特征在于，所述第一电源端的电压为正向偏压，所述第二电源端的电压为负向偏压。
9.如权利要求4所述的光电传感器信号读取电路，其特征在于，所述第一晶体管、所述第二晶体管和所述第三晶体管均为N型晶体管。
10.一种光电传感器装置，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的光电传感器信号读取电路。
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