CN116868345A - 像素衬底和光接收设备 - Google Patents

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Abstract

一种像素衬底(100)包括光电转换元件(PD)。光电转换元件(PD)包括掺杂区域(111)和衬底区域(112)。掺杂区域(111)和衬底区域(112)形成pn结(115)。像素电路(120)电连接到第一电源线(101)和光电转换元件(PD)。保护电路(130)被配置为当第一电源线(101)和衬底区域(112)之间的电压差降到负阈值电压以下时，使第一电源线(101)和衬底区域(112)短路。

Description

像素衬底和光接收设备
技术领域
本公开涉及像素衬底和诸如固态成像装置和距离测量设备的光接收设备。具体地，本公开涉及具有用于图像强度检测、事件检测和/或距离测量的有源像素传感器的像素衬底。
背景技术
有源像素传感器(像素)包括光电转换元件和有源像素电路。光电转换元件将撞击到检测区域上的电磁辐射转换成电子传感器信号，例如光电流。
有源像素电路设置用于光电转换元件的操作模式，并确定利用由入射辐射所传递的哪个信息并将该信息传输到目标装置，该目标装置接收并处理由有源像素传感器输出的像素信号。例如，有源像素电路能够便于辐射强度处理、辐射强度变化的检测，和/或单个事件的检测，例如用于飞行时间距离测量。因此，有源像素电路输出像素信号，该像素信号可以包含关于入射辐射的强度和/或关于入射辐射变化的程度的信息。可替换地或附加地，有源像素电路可以简单地指示是否已经接收到辐射或何时已经接收到辐射。
诸如固态成像装置或距离测量设备的光接收设备可以包括像素衬底和逻辑衬底。像素衬底集成了多个有源光电转换元件，并且如果适用的话，集成了有源像素电路的至少一些元件。逻辑衬底可以包括接收和处理由有源像素电路输出的电信号的逻辑电路，以及如果适用的话，有源像素电路的其它元件。
希望增加像素衬底和光接收设备的可靠性，并简化光接收设备中像素衬底和逻辑衬底的集成。
发明内容
像素衬底包括一个或多个光电转换元件，一个或多个有源像素模块的至少一些元件，以及作为到逻辑衬底的电接口的至少两个电端子。通过第一电源端子，像素衬底可以接收用于形成在像素衬底上的有源像素模块的元件的正电源电压。基准电压端子可以在像素衬底和逻辑衬底之间传递基准电压。信号输出端子将输出信号从像素衬底传递到逻辑衬底。当像素衬底通电时，通过第一电源端子从逻辑衬底向像素衬底提供正电源电压。
当逻辑衬底不提供正电源电压时，像素衬底被断电。当像素衬底断电并且辐射照射到光电转换元件的检测区域时，在像素衬底的端子之间可能出现电势差。本实施例减轻了常规像素衬底的缺点，因为当像素衬底断电并且同时辐射撞击检测区域时，保护电路限制了第一电源端子和基准电压端子之间出现的电压。
因此，根据本公开的像素衬底包括光电转换元件、像素电路和保护电路。光电转换元件包括掺杂区域和衬底区域，其中掺杂区域和衬底区域形成pn结。像素电路电连接到第一电源线和光电转换元件。保护电路被配置为当第一电源线和衬底区域之间的电压差降到负阈值电压以下时，使第一电源线和衬底区域短路。
具体地，第一电源线可以电连接到第一电源端子，衬底区域可以电连接到电压基准端子，并且当像素衬底断电并且同时辐射照射到光电转换元件上时，第一电源线和电压基准端子之间的电压可以下降到负阈值电压以下。
通过光电转换元件的光电流和/或由光电流引起的电荷转移可以具有以下效果：在第一电源线和光电转换元件之间串联电连接的至少一个电路元件至少部分地导通，并且在第一电源端子和电压基准端子之间存在负静态电压。负电压可能损坏在逻辑衬底上形成的电路元件和/或可能使逻辑衬底对像素衬底的适配复杂化。
在本公开的像素电路中，当像素衬底断电时并且同时辐射照射到光电转换元件上，当第一电源线和衬底区域之间的电压降到负阈值电压以下时，保护电路使第一电源线和衬底区域短路。保护电路可以是自供电的。
附图说明
图1是根据本公开的包括具有有源像素传感器的像素衬底的光接收设备的简化框图。
图2A结合了根据本公开的像素衬底的一部分的简化框图和简化竖直截面图。
图2B是与根据本公开的保护电路组合的像素电路的简化电路图。
图3是根据本公开的保护电路的简化框图。
图4和图5是根据本公开的具有p沟道MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)的保护电路的简化电路图。
图6A和图6B是根据本公开的能够与保护电路组合的用于强度检测的像素电路的简化电路图。
图7是根据本公开的具有保护电路的光接收设备的简化框图/电路图。
图8A和图8B是根据本公开的能够与保护电路组合的用于检测强度变化的像素电路的简化电路图。
图9是根据本公开的能够与保护电路组合的用于事件检测的像素电路的简化电路图。
图10A和图10B是根据本公开的具有用于保护电路的光电流源的像素衬底的示意性平面图。
图11是根据本公开的实施例的具有层叠结构的固态成像装置的简化立体图。
图12是描绘根据本公开的内窥镜手术系统的示例性配置的示例的示图。
图13是描绘车辆控制系统的示例性配置的示例的框图。
图14是用于说明图13的车辆控制系统的车外信息检测部和成像部的安装位置的示例的辅助图。
具体实施方式
下面将使用附图详细描述用于实现本公开的技术的实施例(以下称为“实施例”)。本公开的技术不限于实施例，并且实施例中的各种数值等是说明性的。在以下描述中，相同的元件或具有相同功能的元件由相同的附图标记表示，并且省略重复的描述。
电连接的电子元件可以通过直接的，永久的低电阻连接，例如通过导线电连接。术语“电连接”还可以包括通过其它电子元件提供的连接，并且适用于永久和/或临时信号传输和/或能量传输。例如，电子元件也可以通过电子开关电连接，例如晶体管或晶体管电路，例如MOSFET、传输门等。
图1示出了根据本技术的实施例的光接收设备900的图像传感器组件10的配置示例。光接收设备900可以是或可以包括固态成像装置和/或距离测量设备。图像传感器组件10可以包括像素衬底100和逻辑衬底200。
图像传感器组件10包括具有一个或多个有源像素31的像素阵列30，其中每个有源像素31包括光电转换元件PD和电连接到至少一个光电转换元件PD的有源像素模块32。每个有源像素31具有接收辐射(例如可见光、红外辐射或紫外辐射)的检测区域。每个有源像素31输出指示入射辐射的像素输出信号pix_out。
像素阵列30可以包括单个有源像素31，或者可以是一维像素阵列，其中所有有源像素31的光电转换元件PD沿着像素衬底100中的直线或曲折线(线传感器)布置。具体地，像素阵列30可以是二维阵列，其中有源像素31的光电转换元件PD可以在像素衬底100的水平面中沿着直线或曲折的行以及沿着直线或曲折线布置。所示实施例示出了沿直线行和沿与所述行正交的直线列布置的光电转换元件PD的二维阵列。
光电转换元件PD可以是能够以比例模式工作的光电二极管或能够以雪崩模式工作的PAD。每个有源像素模块32能够将光电转换元件PD操作为强度输出像素，操作为DVS(动态视觉传感器)像素或操作为PAD，例如操作为用于事件检测的SPAD像素。
每个有源像素模块32可以包括至少一个放大电路，并且可以产生一个或多个像素输出信号pix_out。像素输出信号pix_out可以包含指示由有源像素31的光电转换元件PD接收的辐射的强度的电压信号。可替换地或附加地，像素输出信号pix_out可以指示由有源像素31检测到的辐射强度的变化。可替换地或附加地，像素输出信号pix_out可以指示由有源像素31检测到的事件。例如，像素阵列30还可以被配置为作为飞行时间(ToF)传感器的传感器侧来操作。
像素衬底100至少包括光电转换元件PD。除了光电转换元件PD之外，像素衬底100可以包括像素电路。每个像素电路包括有源像素模块32的一个或多个电路元件，或者可以包括完整的有源像素模块32。具体地，像素衬底100上的像素电路可以包括每个有源像素模块32的至少一个电路元件，例如MOSFET，其中该电路元件电连接在第一电源线和光电转换元件PD之间。
根据另一示例，像素衬底100上的像素电路可仅包括光电转换元件PD，且与像素衬底100组合的逻辑衬底可包括像素电路，其中像素电路包括电连接在第一电源线与光电转换元件PD之间的至少一个电路元件，例如MOSFET。
图像传感器组件10还包括地址/驱动器单元40，其产生并驱动用于有源像素模块32的控制信号。每个控制信号可以施加到单个有源像素模块32，一组有源像素模块32，例如施加到同一行或同一列中的所有有源像素模块32，或者施加到图像传感器组件10的所有有源像素模块32。
集成在图像传感器组件10中的读出电路50可接收由像素阵列30输出的像素输出信号pix_out。图像传感器组件10可以进一步包括控制器60，用于根据过程控制和/或时间控制的顺序控制来控制地址/驱动器单元40和/或读出电路50。控制器60可以预处理像素输出信号pix_out且可将基于像素输出信号pix_out的图像信息img_data传递到外部图像数据处理单元70。
此外，图像传感器组件10包括保护电路，如下面更详细描述的。
图2A示意性地示出了与像素衬底100的检测器部分109的竖直截面相结合的像素衬底100的功能块。像素衬底100可以是或可以包括半导体部分，例如单晶硅的薄片或层。
像素衬底100包括具有掺杂区域111和衬底区域112的光电转换元件PD。掺杂区域111和衬底区域112形成pn结115。
衬底区域112可以是p导电的。掺杂区域111可以是n导电的。通过像素衬底100的检测区域114进入的辐射9在pn结115两侧的耗尽区域中引起电荷载流子分离，其中空穴移向p导电衬底区域(阳极区)，电子移向n导电掺杂区域111(阴极区)。
像素衬底100进一步包括电连接到第一电源线101和光电转换元件PD的像素电路120。
第一电源线101将像素电路120与一个或多个第一电源端子197电连接。通过一个或多个第一电源端子197，第一电源电压被传递到像素衬底100。第一电源电压可以是正电源电压VDD。
像素电路120可以包括有源像素模块的至少一个电路元件，其将在掺杂区域111中累积的电荷和/或由光电转换元件PD感应的光电流转换为像素输出信号pix_out。
例如，有源像素模块可以包括强度读出电路，其在预定时间点将在掺杂区域111中累积的电荷转换成具有与在预定时间点存储在掺杂区域111中的电荷量成比例的电压电平的像素输出信号pix_out。
可替换地或附加地，有源像素模块可以包括强度变化检测电路，其输出像素输出信号pix_out，该像素输出信号pix_out指示通过光电转换元件PD的光电流的至少阈值的变化。
可替换地或附加地，有源像素模块可以包括事件检测电路，其输出指示光电转换元件PD是否检测到辐射的像素输出信号pix_out。例如，有源像素模块可以在光电转换装置PD两端施加偏置电压，并指示光电转换装置PD中的雪崩击穿。
像素电路120可以包括电连接在第一电源线101和光电转换元件PD之间的至少一个放大元件。例如，像素电路120可以包括具有电连接在第一电源线101和光电转换元件PD之间的源极/漏极路径的MOSFET。
像素衬底100可以进一步包括保护电路130，当第一电源线101和衬底区域112之间的电压降到负阈值电压以下时，该保护电路130使第一电源线101和衬底区域112短路。
当在第一电源端子197和衬底区域112之间外部施加正电源电压VDD时，像素衬底100通电，像素电路120工作。当辐射9通过检测区域114进入像素衬底100时，像素电路120处理存储在掺杂区域111中的电荷和/或由光电转换装置PD驱动的光电流。
当在第一电源端子197和衬底区域112之间没有外部施加电源电压时，像素衬底100断电。像素电路120不工作。相反，像素电路120可以将由进入检测区域114的辐射9产生的电荷载流子(电子)通过断开状态电荷载流子路径107传递到第一电源线101和第一电源端子197。断开状态电荷载流子路径107可以包括例如通过像素电路120的MOSFET的源极/漏极路径的泄漏路径。
结果，在像素衬底100的断电状态下，几个100mV的静态电压可能在衬底区域和第一电源端子197之间下降。静态电压可能损坏像素衬底100内部和/或外部的其它电路元件。
当第一电源线101和衬底区域112之间的电压下降到负阈值电压以下时，使第一电源线101和衬底区域112短路的保护电路130将静态电压限制为例如小于100mV的电压。保护电路130降低了损坏电连接到第一电源端子197的电子电路的风险。
像素衬底100可以包括多个掺杂区域111和像素电路120，其中对于每个像素电路120，像素衬底100可以包括电连接到像素电路120的信号输出端子191。信号输出端子191将像素信号Vpix传递到逻辑衬底。例如，如果像素电路120包括完整的有源像素模块，则像素信号Vpix可以与像素输出信号pix_out相同。
像素衬底100可以包括通过一个或多个低电阻欧姆连接电连接到衬底区域112的一个或多个电压基准端子199。例如，像素衬底100可以包括重掺杂衬底接触区域113。衬底区域112和衬底接触区域113彼此直接接触并形成单极结。衬底接触区域113中的掺杂剂浓度足够高，使得衬底接触区域113和电压基准端子199或衬底接触区域113和与电压基准端子199接触的金属线形成欧姆接触。
当在第一电源端子197和电压基准端子199之间和/或在第一电源端子197和第二电源端子198之间外部施加正电源电压VDD时，像素衬底100通电，像素电路120工作。
当在第一电源端子197和电压基准端子199之间和/或在第一电源端子197和第二电源端子198之间没有外部施加电源电压时，像素衬底100断电并且像素电路120不工作。
当第一电源端子197和电压基准端子199之间的电压下降到负阈值电压以下时，保护电路130使第一电源端子197和电压基准端子199短路。保护电路130将第一电源端子197和电压基准端子199之间的静态电压限制为小于100mV的电压。保护电路130降低了损坏电连接到第一电源端子197和电压基准端子199的电子电路的风险。
像素电路120还可以电连接到第二电源线102，其中第二电源线102和衬底区域112可以电断开。第二电源线102可以将像素电路120与一个或多个第二电源端子198电连接。
端子191、197、198、199可以包括金属结构，例如在像素衬底100的至少一个表面上形成的接触焊盘和/或从像素衬底100的一侧延伸到相对侧的通孔接触。
图2B示出了图2A中的像素衬底100的电子部件的电路图。光电转换元件PD由光电二极管表示。光电二极管阴极与像素电路120电连接。光电二极管阳极与衬底区域112电连接。当通电时，正电源电压VDD可以从外部施加到第一电源端子197。模拟地电位AGND可以通过电压基准端子197。负电源电压VSS可以通过可选的第二电源端子198从外部施加。
图3、图4和图5涉及完全或部分地形成在像素衬底中的保护电路130的实施例。
保护电路130可以包括光电流源131和主晶体管电路133，主晶体管电路133具有在第一电源线101和衬底区域112之间的可切换电流路径134。提供给第一电源线101的正电源电压VDD和施加给衬底区域112的模拟地电位AGND使像素衬底通电。当像素衬底断电并且第一电源线101和衬底区域112之间的电压差降到负阈值电压以下时，光电流源131能够接通可切换电流路径134。
主晶体管电路133可以包括一个单个n沟道MOSFET或一个单个p沟道MOSFET，例如增强型MOSFET。可替换地，主晶体管电路133可以包括多于一个的MOSFET，例如两个或更多的与源极/漏极路径并联电连接的MOSFET或共源共栅结构的MOSFET。
当用5000 1ux照射时，主晶体管电路133能够消耗形成在像素衬底100中的所有光电转换元件PD的总静态电流而不被损坏。例如，主晶体管电路133可以永久地消耗至少1mA，例如至少5mA或至少10mA。
光电流源131可以包括光电二极管元件132。由光电二极管元件132收集的能量的量可足以接通主晶体管电路133，使得保护电路130可完全自供电。
光电二极管元件132可以具有与有源像素的光电转换元件PD相同的配置，或者可以具有不同的配置。例如，通过有源像素的光电转换元件PD的阴极区的竖直掺杂分布可以与通过光电二极管元件132的阴极区的竖直掺杂分布相同或相似。光电二极管元件132可以是具有一个连续阴极区的一个部件元件，或者可以包括具有横向分离的阴极部分的几个横向分离的部件。
光电二极管元件132的总水平面积可以小于同一像素衬底100中的单个光电转换元件PD的总水平面积。
例如，光电二极管元件132的总水平面积可以是光电转换元件PD的水平面积的至多95％、至多90％、至多80％、至多50％或至多10％。光电二极管元件132能够在100klux的照度下提供0.1到1nA的电流。
保护电路130还可以包括辅助晶体管电路135，其被配置为当第一电源线101和衬底区域112之间的电压差高于负阈值电压(例如正)时切断可切换电流路径134，而与光电二极管元件132的阴极区中累积的任意量的电荷无关。具体地，当正电源电压VDD被提供给第一电源线101并且衬底区域112被连接到模拟地电位AGND时，辅助晶体管电路135关断可切换电流路径134。
辅助晶体管电路135可以包括单个n沟道MOSFET或单个p沟道MOSFET，例如增强型MOSFET。可替换地，辅助晶体管电路135可以包括多于一个的MOSFET，例如两个或更多的与源极/漏极路径并联电连接的MOSFET或共源共栅结构的MOSFET。
辅助晶体管电路135电连接在第一电源轨A和主晶体管电路133的控制输入之间。光电流源131电连接在第二电源轨B和主晶体管电路133的控制输入之间。正电源电压VDD被提供给第一源轨A和第二电源轨B中的第一者。第一电源轨A和第二电源轨B中的第二者可以连接到模拟地电位AGND或负电源电压。
像素衬底100可以包括一个单独的保护电路130或多个保护电路130，其中可切换电流路径134彼此并联电连接。
主晶体管电路133可以包括一个单独的第一场效应晶体管141。辅助晶体管电路135可以包括第二场效应晶体管142。第一场效应晶体管141和第二场效应晶体管142可以具有相同的沟道类型。
图4和图5中的每个图示出了具有形成为p沟道MOSFET的第一场效应晶体管141和第二场效应晶体管142的保护电路130。光电流源131电连接在第一场效应晶体管141的栅极和衬底区域112之间。第二场效应晶体管142的源极/漏极路径电连接在第一电源线101和第一场效应晶体管141的栅极之间。第二场效应晶体管142的栅极电连接到衬底区域112。
光电流源包括光电二极管元件132。光电二极管阳极电连接到衬底区域112。光电二极管阴极与第一场效应晶体管141的栅极电连接。
当像素衬底100通电时，正电源电压VDD通过第一电源端子从外部提供给第一电源线101。在这种情况下，栅极处的模拟地电位AGND接通第二p沟道MOSFET 142，使得第二p沟道MOSFET 142向第一p沟道MOSFET 141的栅极提供正电压。正栅极电压安全地关断第一p沟道MOSFET 141。
当像素衬底100断电时，没有正电源电压从外部施加到第一电源线101。在这种情况下，栅极处的模拟地电位AGND不接通第二p沟道MOSFET 142。当辐射照射在光电二极管元件132上时，电子在阴极侧累积并且负偏置p沟道MOSFET 141的栅极。当栅极偏压下降到低于p沟道MOSFET 141的负阈值电压时，p沟道MOSFET 141导通并将第一电源线101切换到模拟地电位AGND。这样，保护电路130限制了第一电源线101和衬底区域112之间的静态电压。
在图4中，保护电路130完全形成在像素衬底100上。换句话说，像素衬底100包括完整的保护电路130。
在图5中，只有光电二极管元件132形成在像素衬底100上。第一p沟道MOSFET 141和第二p沟道MOSFET 142形成在逻辑衬底200上。一个或多个贯通接触通孔915可以将在光电二极管元件132的阴极上累积的电荷传递到逻辑衬底200。
逻辑衬底200可以包括第一电源轨201和基准电压轨212，正电源电压VDD施加到第一电源轨201，模拟地电位AGND施加到基准电压轨212。逻辑衬底200可以通过另一贯通接触通孔将第一电源轨201上的正电源电压VDD传递到像素衬底100的第一电源线。另一贯通接触通孔可使模拟地电位AGND在像素衬底100与逻辑衬底200的基准电压轨212之间通过。
在图4和图5所示的示例的替换中，保护电路130可以包括适当电连接的n沟道MOSFET，而不是图4和图5中的p沟道MOSFET。在这种情况下，光电二极管元件132可以是或者可以包括阴极连接到第一电源线101的空穴累积二极管。
像素衬底100可以包括多个光电转换元件PD和像素电路120，其中每个像素电路120可以与一个、两个或更多个光电转换元件PD电连接。像素衬底100可以包括一个单独的保护电路130或一个以上的保护电路130。
图6A和图6B涉及提供光电转换元件PD和像素电路120的有源像素模块，像素电路120被配置用于光电转换元件PD的模拟强度读出。
像素电路120包括放大晶体管422和转移晶体管421，其中，放大晶体管422的源极/漏极路径电连接在第一电源线101和竖直信号线VSL之间。转移晶体管421的源极/漏极路径电连接在光电转换元件PD和放大晶体管422的栅极之间。
光电转换元件PD光电地将入射辐射转换成电荷(这里是电子)。在光电转换元件PD中产生的电荷量对应于入射辐射量。
转移晶体管421连接在光电转换元件PD和浮动扩散区FD之间。转移晶体管421用作将电荷从光电转换元件PD转移到浮动扩散区FD的转移元件。浮动扩散区FD用作临时局部电荷存储。用作控制信号的转移信号TGL通过转移控制线被提供给转移晶体管421的栅极。
因此，转移晶体管421可以将由光电转换元件PD光电转换的电子转移到浮动扩散FD。
复位晶体管423可电连接在浮动扩散FD与向其供应正电源电压VDD的第一电源线101之间。用作控制信号的复位信号RST通过复位控制线提供给复位晶体管423的栅极。
因此，用作复位元件的复位晶体管423将浮动扩散FD的电位复位到第一电源线101的电位。
浮动扩散FD连接到用作放大元件的放大晶体管422的栅极。即，浮动扩散FD用作放大晶体管422的输入节点。
放大晶体管422和选择晶体管424可以串联电连接在第一电源线101和竖直信号线VSL之间。
因此，放大晶体管422通过选择晶体管424连接到信号线VSL，并构成在选择晶体管424和第二电源线之间具有恒流源的源极跟随器电路。
然后，通过选择控制线将用作对应于地址信号的控制信号的选择信号SEL提供给选择晶体管424的栅极，并且接通选择晶体管424。
当选择晶体管424接通时，放大晶体管422放大浮动扩散FD的电位并将对应于浮动扩散FD的电位的电压输出到竖直信号线VSL。竖直信号线VSL可以将模拟像素输出信号pix_out从像素电路120转移到图1的读出电路50中的模数转换器电路。
由于转移晶体管421、复位晶体管423和选择晶体管424的各个栅极例如以行为单位连接，因此对于一行的每个像素电路120同时执行这些操作。
竖直信号线VSL上的模拟像素输出信号pix_out是图1中的像素输出信号pix_out的表示。像素电路120表示如图1所示的完整的有源像素模块32。
在图6A中，像素电路120表示完全形成在像素衬底100上的有源像素模块。换句话说，像素衬底100包括图1的有源像素模块32。每像素中一个贯通接触通孔915可以将像素输出信号pix_out传递到逻辑衬底200。
图6A的像素电路120可以与图3、图4和图5所示的任何保护电路130组合在同一光接收设备中，例如在同一像素衬底100上。
在图6B中，只有光电转换元件PD形成在像素衬底100上。具有转移晶体管421、放大晶体管422、复位晶体管423和选择晶体管424的像素电路120可以完全形成在逻辑衬底200上。一个贯通接触通孔915可以将累积在光电转换元件PD的阴极上的电荷传递到逻辑衬底200。
逻辑衬底200可以包括第一电源轨201，正电源电压VDD施加到该第一电源轨201。一个或多个另外的贯通接触通孔可以使模拟地电位AGND在衬底区域112和逻辑衬底200的基准电压轨之间通过。
图6B的像素电路120可以与图3、图4和图5所示的任何保护电路130组合在同一光接收设备中，例如在同一像素衬底100上。
图7示出了光接收设备的像素衬底100和逻辑衬底200。例如，光接收设备可以是固态成像装置或距离测量设备。像素衬底100包括如上所述的保护电路130和具有五个晶体管的用于强度读出的像素电路120。具体地，像素电路120包括电连接在复位晶体管423和浮动扩散FD之间的浮动扩散栅晶体管425。
逻辑衬底200包括在第一电源轨201和基准电压轨212之间产生正电源电压VDD的电压供应电路220。一个或多个第一电源端子197将正电源电压VDD从逻辑衬底200传递到像素衬底100。一个或多个以上基准电压端子199使模拟地电位AGND在逻辑衬底200上的基准电压轨212与像素衬底100的衬底区域112之间通过。
断开状态电荷载流子路径107包括复位晶体管423和浮动扩散栅晶体管425的源极/漏极路径。
图8A和图8B涉及有源像素模块，其被配置用于检测照射到光电转换元件PD上的辐射的强度变化。
像素电路120包括放大器部分431和反馈部分432，其中反馈部分432的可控电流路径电连接在第一电源线101和光电转换元件PD之间。放大器部分431的可控电流路径电连接在反馈部分432的控制输入和衬底区域112之间。负载元件433电连接在第一电源线101和放大器部分431的可控电流路径之间。
放大器部分431可以包括反相放大器元件，例如n沟道MOSFET或由其组成。或者，放大器部分431可以包括具有多于一个晶体管的放大器电路。具体地，放大器部分431可以被配置为共源放大器电路。
放大器部分431的输出提供感光器信号Vpr，并通过反馈部分432反馈到放大器部分431的输入。反馈部分432可以包括或由放大器元件组成，例如源极跟随器配置中的n沟道MOSFET。或者，反馈部分432可包括具有固定栅极偏压的p沟道MOSFET或具有一个以上元件的反馈电路。
反馈部分432包括受控路径，其中响应于反馈信号来控制通过受控路径的电流。放大器部分431和反馈部分432限定了预定的电流-电压转移特性。根据一个示例，预定的电流-电压转移特性可以是对数电流-电压转移特性。
像素电路120的输入电连接到光电转换元件PD。例如，反馈部分432和光电转换元件PD的受控路径可以串联地电连接在第一电源线101和模拟地电位AGND之间。
具体地，反馈部分432可以包括n沟道反馈MOSFET。反馈MOSFET的源极连接到光电转换元件PD的阴极。光电转换元件PD的阳极电连接到模拟地电位AGND，并且可以由衬底区域112形成。放大器部分431可以包括公共源放大器，该公共源放大器包括n沟道放大器MOSET和负载元件433。放大器MOSFET的源极电连接到模拟地电位AGND。负载元件433电连接在第一电源电势VDD和放大器MOSFET的漏极之间。负载元件433可以包括具有电连接到偏置电位Vbias的栅极的p沟道负载MOSFET的受控路径。偏置电位Vbias可以是固定的。
像素电路120的像素后端439检测感光器信号Vpr相对于先前指示的状态的变化何时超过上阈值和/或降到下阈值以下。像素后端439输出数字像素输出信号pix_out，该数字像素输出信号pix_out指示感光器信号Vpr的电压电平是否已经改变到感光器信号Vpr的当前电压电平与感光器信号Vpr的先前指示的电压电平之间的差低于预定的下阈值或超过上阈值的程度。
在图8A中，像素衬底100包括有源像素模块的光电转换元件PD和n沟道MOSFET。像素衬底100上的像素电路120包括n沟道反馈MOSFET和n沟道放大器MOSFET。逻辑衬底200包括p沟道负载MOSFET和像素后端439。每个像素一个贯通接触通孔915将感光信号Vpr从像素衬底100传递到逻辑衬底200。
例如，像素衬底100可以包括p型衬底，并且p沟道MOSFET的形成可以意味着n掺杂阱的形成，该n掺杂阱将p沟道MOSFET的p型源极区域和漏极区域彼此分离，并将p型区域与另外的p型区域分离。因此，避免形成p沟道MOSFET可简化像素衬底100的制造过程。
图8A的像素电路120可以与图3、图4和图5所示的任何保护电路130组合在同一光接收设备中，例如在同一像素衬底100上。
在图8B中，像素衬底100包括光电转换元件PD。逻辑衬底200包括n沟道MOSFET、p沟道负载MOSFET和像素后端439。对于每个像素，一个单贯通接触通孔915将光电流Iphoto从像素衬底100传递到逻辑衬底200。
图9涉及被配置为检测单个事件的有源像素模块，具体是用于测量光电转换元件PD中的启动事件和辐射接收之间的时间段。
光电转换元件PD可以是响应于光子的接收而产生信号的元件，例如SPAD(单光子雪崩二极管)元件。具体地，根据本实施例的光接收设备被配置为使得每个像素的光电转换元件PD包括SPAD元件。注意，光接收元件不限于SPAD元件，并且可以是诸如APD(雪崩光电二极管)和CAPD(电流辅助光子解调器)的各种元件中的任何元件。
像素电路120可以包括用于事件检测的完整的有源像素模块，其中p沟道猝灭MOSFET 452的源极/漏极路径和光电转换元件PD以该顺序串联电连接在第一电源线101和形成光电转换元件PD的阳极的衬底区域112之间。
猝灭MOSFET 452和光电转换元件PD的阴极之间的节点459电连接到反相放大器级453的输入。反相放大器级453可以是CMOS反相器，其中p沟道反相器级MOSFET 454的源极/漏极路径和n沟道反相器级MOSFET 455的源极/漏极路径以此顺序串联电连接在第一电源线101和第二电源线102之间。反相放大器级453输出数字像素输出信号pix_out。像素输出信号pix_out的上升沿指示接收辐射的开始。
电容元件C可以连接在反相放大器级453的输入和第二电源线102之间。
施加到第一电源线101的正第一电源电压VDD，施加到第二电源线102的第二电源电压VSS(0V)和施加到像素电路120上的光电转换元件PD电源的衬底区域112的(负)阳极电压。
选择阳极电压，使得光电转换元件PD两端产生的反向偏置电压可以几乎与光电转换元件PD的击穿电压一样高，等于或略高。例如，反向偏置电压可以超过击穿电压大约2V到5V的过电压，使得光电转换元件PD在没有DC稳定点的区域中在被称为盖革模式的区域中操作。
固定电压偏置p沟道猝灭MOSFET 452的栅极，该p沟道猝灭MOSFET 452作为光电转换元件PD的无源负载工作。例如，猝灭MOSFET 452的栅极可以电连接到第二电源线102(VSS)。
在没有辐射的情况下，没有电流流过光电转换元件PD，并且用作无源高阻抗负载的p沟道猝灭MOSFET 452将节点459处的电位设置为电源电压VDD，并且反相放大器级455输出低电平像素输出信号pix_out。
在光电转换元件PD中接收的单光子产生触发光电转换元件PD中的雪崩倍增的电子/空穴对。随着通过光电转换元件PD的雪崩电流快速增加，节点459处的电势快速降低到反相放大器级453的阈值以下。像素输出信号pix_out的电平从接近0V变化到接近VDD。随着雪崩电流的进一步增加，猝灭MOSFET452两端的电压降变得足够高，使得光电转换元件PD两端的反向偏置电压下降到维持雪崩击穿所需的反向电压以下。通过光电转换元件PD的雪崩电流停止。光电转换元件PD返回到初始状态，节点459处的电位上升到反相放大器电路453的阈值以上，且像素输出信号pix_out的电平返回到接近0V。
光接收设备可以将如图9所示的多个像素电路120与图3、图4和图5的保护电路130中的任一个组合。
保护电路130可以包括至少两个电并联布置的横向分离的部件439。
图10A至图10B是像素衬底100的平面主表面的顶视图。每个主表面包括以矩阵形式布置的有源像素的多个检测区114。第一电源端子197和电压基准端子199沿着主表面的边缘形成。保护电路130包括具有光敏区116的光电二极管元件。光敏区116可以小于检测区114。
在图10A中，具有光敏区116的光电二极管元件132形成在包括所有检测区114的最小矩形区域之外。保护电路130形成在第一电源端子197和电压基准端子199附近。
在图10B中，保护电路130包括多个横向分离的光电二极管元件132，其中光敏区116形成在检测区114之间并且在包括所有检测区114的最小矩形区域内。
图11是示出具有以阵列形式矩阵状布置的多个有源像素的光接收设备，例如固态成像装置23020的层叠结构的示例的立体图。每个像素具有至少一个光电转换元件。
固态成像装置23020具有像素衬底(上芯片)100和逻辑衬底(下芯片)200的层叠结构。
层叠的像素和逻辑衬底100和100可以通过形成在像素衬底100中的贯通接触(硅)通孔(TC(S)V)彼此电连接。
固态成像装置23020可以以这样的方式形成为具有层叠结构，即像素衬底100和逻辑衬底200以晶片级结合在一起并通过划切而切割。
在上下两个芯片的层叠结构中，像素衬底100可以是模拟芯片(传感器芯片)，其包括每个像素的至少一个模拟部件，例如以阵列形式布置的光电转换元件。例如，像素衬底100可仅包括光电转换元件。或者，除了光电转换元件之外，像素衬底100还可以包括每个有源像素的一个、两个、三个或四个有源元件(转移晶体管TG、复位晶体管RST、放大晶体管AMO和选择晶体管SEL)。
像素衬底100还可以包括如上所述的一个或多个保护电路。例如，像素衬底100可以从保护电路仅包括光电流源。或者，除了光电流源之外，像素衬底100还可以包括保护电路的一个、两个、三个或四个另外的有源元件。
像素衬底100还可以包括逻辑电路。例如，像素衬底100可以包括模数转换器(ADC)的部分，例如比较器、计数器、电流源和DAC(数模转换器)中的至少一个，可以包括比较器的部分，或者可以包括用于每列像素电路的完整ADC。像素衬底100还可以包括至少部分地址/驱动器单元40、读出电路50和控制器60和/或至少部分数据处理电路70，如图1所示。
逻辑衬底200可以主要是包括将像素衬底100上的电路补充到固态成像装置23020的元件的逻辑芯片(数字芯片)。逻辑衬底200还可以包括模拟电路，例如量化从像素衬底100通过TCV传输到信号处理电路的模拟信号的电路。
逻辑衬底200可以具有一个或多个接合焊盘BPD，且像素衬底100可具有用于线接合到逻辑衬底200的开口OPN。
具有像素衬底100和逻辑衬底200的层叠结构的固态成像装置23020可具有以下特征结构。
像素衬底100和逻辑衬底200之间的电连接通过例如TCV来执行。TCV可以设置在芯片末端或焊盘区域和电路区域之间。用于传输控制信号和供电的TCV主要集中在例如固态成像装置23020的四个角上，由此可以减小像素衬底100的信号布线面积。
图12是描绘可以应用根据本公开的实施例(本技术)的技术的内窥镜手术系统的示例性配置的示例的示图。
在图12中，示出了外科医生(医生)11131正在使用内窥镜手术系统11000对患者床11133上的患者11132执行手术的状态。如图所描绘，内窥镜手术系统11000包括内窥镜11100，诸如气腹管11111和能量装置11112的其它手术工具11110、在其上支撑内窥镜11100的支撑臂设备11120，以及用于内窥镜手术的各种设备安装在其上的推车11200。
内窥镜11100包括镜筒11101和连接到镜筒11101的近端的摄像头11102，镜筒11101具有从其远端开始的预定长度的区域以插入患者11132的体腔中。在所描绘的示例中，内窥镜11100被描绘为包括具有硬型镜筒11101的刚性内窥镜。然而，内窥镜11100可以另外包括为具有柔性类型的镜筒11101的柔性内窥镜。
镜筒11101在其远端具有安装物镜的开口。光源设备11203连接到内窥镜11100，使得由光源设备11203产生的光通过在镜筒11101的内部延伸的光导引入到镜筒11101的远端，并通过物镜朝向患者11132的体腔中的观察目标照射。应当注意，内窥镜11100可以是前视内窥镜，或者可以是斜视内窥镜或侧视内窥镜。
光学系统和图像拾取元件(固态成像装置)设置在摄像头11102的内部，使得来自观察目标的反射光(观察光)通过光学系统会聚在图像拾取元件上。观察光被图像拾取元件光电转换以产生对应于观察光的电信号，即，对应于观察图像的图像信号。图像信号作为原始数据发送到CCU 11201。
CCU 11201包括中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)等，并且整体地控制内窥镜11100和显示设备11202的操作。此外，CCU 11201从摄像头11102接收图像信号，并针对该图像信号执行用于显示基于该图像信号的图像的各种图像处理，例如显影处理(去马赛克处理)。
在CCU 11201的控制下，显示设备11202基于图像信号在其上显示图像，对于该图像信号由CCU 11201执行图像处理。
光源设备11203包括诸如发光二极管(LED)的光源，并在手术区域成像时向内窥镜11100提供照射光。
输入设备11204是用于内窥镜手术系统11000的输入接口。用户可以通过输入设备11204向内窥镜手术系统11000输入各种信息或指令。例如，用户将通过内窥镜11100输入改变图像拾取条件(照射光的类型、放大率、焦距等)的指令等。
治疗工具控制设备11205控制能量装置11112的驱动，用于烧灼或切开组织、密封血管等。气腹设备11206通过气腹管11111将气体输送到患者11132的体腔中，以对体腔充气，从而固定内窥镜11100的视野并为外科医生固定工作空间。记录仪11207是能够记录与手术有关的各种信息的设备。打印机11208是能够以诸如文本、图像或图形的各种形式打印与手术相关的各种信息的设备。
应当注意，当手术区域将被成像到内窥镜11100时提供照射光的光源设备11203可以包括白光源，该白光源包括例如LED、激光源或它们的组合。在白光源包括红、绿和蓝(RGB)激光光源的组合的情况下，由于可以针对每种颜色(每种波长)以高精度控制输出强度和输出定时，所以可以由光源设备11203执行拾取图像的白平衡的调整。此外，在这种情况下，如果来自各个RGB激光光源的激光束在观察目标上被时分地照射，则摄像头11102的图像拾取元件的驱动与照射定时同步地被控制。然后也可以时分地拾取分别对应于R、G和B颜色的图像。根据该方法，即使没有为图像拾取元件提供滤色器，也可以获得彩色图像。
此外，可以控制光源设备11203，使得在每个预定时间改变要输出的光的强度。通过与光强变化的定时同步地控制摄像头11102的图像拾取元件的驱动，以时分地获取图像并合成图像，可以产生没有曝光不足的遮挡阴影和曝光过度的亮部的高动态范围的图像。
此外，光源设备11203可以被配置为提供准备用于特殊光观察的预定波长带的光。在特殊光观察中，例如，与普通观察时的照射光(即，白光)相比，通过利用身体组织中的光吸收的波长依赖性来照射窄带的光，执行以高对比度对诸如粘膜的表面部分的血管等的预定组织进行成像的窄带观察(窄带成像)。或者，在特殊光观察中，可以进行用于从激发光照射产生的荧光获得图像的荧光观察。在荧光观察中，可以通过将激发光照射在身体组织上来对来自身体组织的荧光进行观察(自发荧光观察)，或者通过将诸如吲哚菁绿(ICG)的试剂局部注入身体组织中并将对应于该试剂的荧光波长的激发光照射在身体组织上来获得荧光图像。光源设备11203可以被配置为提供适合于如上所述的特殊光观察的这种窄带光和/或激发光。
上面已经描述了应用根据本公开的实施例的技术的内窥镜手术系统的示例。
根据本公开的技术还可以实现为安装在诸如汽车、电动车辆、混合电动车辆、摩托车、自行车、个人移动装置、飞机、无人驾驶飞机、轮船或机器人等任何类型的移动体中的光接收装置。
图13是描绘作为可以应用根据本公开的实施例的技术的移动体控制系统的示例的车辆控制系统的示例性配置的示例的框图。
车辆控制系统12000包括经由通信网络12001彼此连接的多个电子控制单元。在图13所描绘的示例中，车辆控制系统12000包括驱动系统控制单元12010、车身系统控制单元12020、车外信息检测单元12030、车内信息检测单元12040和集成控制单元12050。此外，作为集成控制单元12050的功能配置，示出了微型计算机12051、声音/图像输出部12052和车载网络接口(I/F)12053。
驱动系统控制单元12010根据各种程序控制与车辆驱动系统相关的装置的操作。例如，驱动系统控制单元12010用作控制装置，例如用于产生车辆的驱动力的驱动力产生装置(例如内燃机、驱动电动机等)、用于将驱动力传输到车轮的驱动力传输机构、用于调节车辆的转向角的转向机构、用于产生车辆的制动力的制动装置等。
车身系统控制单元12020根据各种程序控制提供给车身的各种装置的操作。例如，车身系统控制单元12020用作无钥匙进入系统、智能钥匙系统、电动车窗装置或各种灯(诸如前照灯、备用灯、刹车灯、转向灯、雾灯等)的控制装置。在这种情况下，作为各种开关的按键或信号的替换，从移动装置发射的无线电波可以被输入到身体系统控制单元12020。车身系统控制单元12020接收这些输入无线电波或信号，并控制车辆的门锁装置、电动车窗装置、灯等。
车外信息检测单元12030检测关于包括车辆控制系统12000的车辆的外部的信息。例如，车外信息检测单元12030与成像部12031连接。车外信息检测单元12030使成像部12031对车辆外部的图像进行成像，并接收该成像图像。此外，车外信息检测单元12030也可以基于接收到的图像进行检测人、车辆、障碍物、标志、路面上的文字等物体的处理，或者检测到其的距离的处理。
成像部12031可以包括根据本公开实施例的光接收设备。成像部12031接收光，并输出对应于接收的光量的电信号。成像部12031可以输出电信号作为图像，或者可以输出电信号作为关于测量距离的信息。另外，由成像部12031接收的光可以是可见光，或者可以是诸如红外线等的不可见光。
车内信息检测单元12040检测关于车辆内部的信息。车内信息检测单元12040例如与检测驾驶员的状态的驾驶员状态检测部12041连接。驾驶员状态检测部12041例如包括对驾驶员进行成像的相机。基于从驾驶员状态检测部12041输入的检测信息，车内信息检测单元12040可以计算驾驶员的疲劳程度或驾驶员的专注程度，或者可以确定驾驶员是否在打盹。
微型计算机12051可以基于由车外信息检测单元12030或车内信息检测单元12040获得的关于车辆的内部或外部的信息来计算用于驱动力产生装置、转向机构或制动装置的控制目标值，并向驱动系统控制单元12010输出控制命令。例如，微型计算机12051可以执行旨在实现高级驾驶员辅助系统(ADAS)的功能的协作控制，该功能包括车辆的碰撞避免或减震、基于跟随距离的跟随驾驶，车辆速度维持驾驶、车辆碰撞警告、车辆偏离车道警告等。
另外，微型计算机12051能够基于由车外信息检测单元12030或车内信息检测单元12040取得的车辆的车外或车内的信息，通过控制驱动力产生装置、转向机构、制动装置等，进行不依赖于驾驶员的操作等而使车辆自主行驶的自动驾驶的协调控制。
另外，微型计算机12051可以基于由车外信息检测单元12030获得的关于车外的信息向车身系统控制单元12020输出控制命令。例如，微型计算机12051能够例如根据由车外信息检测单元12030检测出的前方车辆或对向车辆的位置，通过控制前照灯使其从远光灯变为近光灯来进行防止眩光的协调控制。
声音/图像输出部12052将声音或图像中的至少一个的输出信号发送到能够向车辆的乘员或车辆的外部视觉或听觉地通知信息的输出装置。在图13的示例中，音频扬声器12061、显示部12062和仪表板12063被示为输出装置。显示部12062例如可以包括板上显示器或平视显示器中的至少一个。
图14是描绘成像部12031的安装位置的示例的示图。
在图14中，成像部12031包括成像部12101、12102、12103、12104和12105。
成像部12101、12102、12103、12104和12105例如设置在车辆12100的前鼻、侧视镜、后保险杠和后门上的位置以及车辆内部的挡风玻璃的上部上的位置。设置在前鼻上的成像部12101和设置在车辆内部挡风玻璃上部的成像部12105主要获得车辆12100的前部的图像。提供给侧视镜的成像部12102和12103主要获得车辆12100的侧面的图像。设置到后保险杠或后门的成像部12104主要获得车辆12100的后部的图像。设置在车辆内部的挡风玻璃上部的成像部12105主要用于检测前方车辆、行人、障碍物、信号、交通标志、车道等。
顺便提及，图14描绘了成像部12101至12104的拍摄范围的示例。成像范围12111表示提供给前鼻的成像部12101的成像范围。成像范围12112和12113分别表示提供给侧视镜的成像部12102和12103的成像范围。摄像范围12114表示设置于后保险杠或后门的成像部12104的成像范围。例如，将由成像部12101至12104成像得到的图像数据进行叠加，由此得到从上方观察到的车辆12100的鸟瞰图像。
成像部12101至12104中的至少一个可以具有获得距离信息的功能。例如，成像部12101至12104中的至少一个可以是由多个成像元件构成的立体相机，或者可以是具有用于相位差检测或事件检测的像素的成像元件，如参考图9所述。
例如，微型计算机12051能够基于从成像部12101至12104取得的距离信息来确定与成像范围12111至12114内的各三维物体的距离，以及该距离的时间变化(相对于车辆12100的相对速度)，由此提取前方车辆，具体是存在于车辆12100的行驶路径上且以与车辆12100大致相同的方向以规定速度(例如等于或大于0km/h)行驶的最近的三维物体。此外，微型计算机12051可以预先设定要保持在前方车辆前方的跟随距离，并且执行自动制动控制(包括跟随停止控制)、自动加速控制(包括跟随启动控制)等。因此，可以执行旨在用于自动驾驶的协作控制，该协作控制使得车辆自主地行驶而不依赖于驾驶员等的操作。
例如，微型计算机12051能够基于从成像部12101至12104获得的距离信息，将三维物体上的三维物体数据分类为两轮车辆、标准尺寸车辆、大型车辆、行人、电线杆和其他三维物体的三维物体数据，提取分类的三维物体数据，并使用提取的三维物体数据来自动避障。例如，微型计算机12051将车辆12100周围的障碍物识别为车辆12100的驾驶员能够视觉识别的障碍物和车辆12100的驾驶员难以视觉识别的障碍物。然后，微型计算机12051确定表示与每个障碍物碰撞的风险的碰撞风险。在碰撞危险等于或高于设定值并且因此存在碰撞可能性的情况下，微型计算机12051经由音频扬声器12061或显示部12062向驾驶员输出警告，并且经由驱动系统控制单元12010执行强制减速或避让转向。因此，微型计算机12051可以帮助驾驶以避免碰撞。
成像部12101至12104中的至少一个成像部可以是检测红外线的红外相机。例如，微型计算机12051可以通过确定在成像部12101至12104的成像图像中是否存在行人来识别行人。例如，通过在作为红外相机的成像部12101至12104的成像图像中提取特征点的过程以及通过对表示对象轮廓的一系列特征点执行图案匹配处理来确定是否是行人的过程来执行行人的这种识别。当微型计算机12051确定在成像部12101至12104的成像图像中存在行人，并由此识别行人时，声音/图像输出部12052控制显示部12062，使得用于强调的正方形轮廓线被显示为叠加在所识别的行人上。声音/图像输出部12052还可以控制显示部12062，使得在期望位置处显示表示行人的图标等。
上面已经描述了根据本公开的实施例的技术适用的车辆控制系统的示例。
另外，本技术的实施例不限于上述实施例，而是可以在本技术的范围内进行各种改变而不脱离本技术的要旨。
注意，本技术还可以如下配置：
(1)一种像素衬底，包括：包括掺杂区域和衬底区域的光电转换元件，其中，掺杂区域和衬底区域形成pn结；像素电路，电连接到第一电源线和所述光电转换元件；以及保护电路，被配置为当所述第一电源线和所述衬底区域之间的电压差降到负阈值电压以下时，使所述第一电源线和所述衬底区域短路。
(2)根据(1)的像素衬底，进一步包括：电压基准端子，其中，所述衬底区域和所述电压基准端子通过低电阻欧姆连接电连接。
(3)根据(1)或(2)中任一项的像素衬底，其中，所述像素电路电连接到第二电源线，并且其中，所述第二电源线和所述衬底区域电断开。
(4)根据(1)至(3)中任一项的像素衬底，其中，所述保护电路包括光电流源和主晶体管电路，所述主晶体管电路具有在所述第一电源线和所述衬底区域之间的可切换电流路径，并且其中，所述光电流源被配置为当所述第一电源线和所述衬底区域之间的电压差降到所述负阈值电压以下时，接通所述可切换电流路径。
(5)根据(4)的像素衬底，其中，所述光电流源包括光电二极管元件。
(6)根据(5)的像素衬底，其中，所述光电二极管元件的总水平面积小于所述光电转换元件的总水平面积。
(7)根据(4)至(6)中任一项的像素衬底，其中，所述保护电路包括辅助晶体管电路，所述辅助晶体管电路被配置为当所述第一电源线和所述衬底区域之间的电压差高于所述负阈值电压时，切断所述可切换电流路径。
(8)根据(7)的像素衬底，其中，所述主晶体管电路包括第一场效应晶体管，其中所述辅助晶体管电路包括第二场效应晶体管，并且其中，所述第一场效应晶体管和第二场效应晶体管具有相同的沟道类型。
(9)根据(8)的像素衬底，其中，所述第一场效应晶体管和所述第二场效应晶体管是p沟道MOSFET，其中，所述光电流源电连接在所述第一场效应晶体管的栅极与所述衬底区域之间，其中，所述第二场效应晶体管的源极/漏极路径电连接在所述第一电源线与所述第一场效应晶体管的栅极之间，并且其中，所述第二场效应晶体管的栅极电连接到所述衬底区域。
(10)根据(1)至(9)中任一项的像素衬底，其中，所述像素衬底包括多个光电转换元件和像素电路。
(11)根据权利要求(1)至(10)中任一项的像素衬底，其中，所述像素电路包括放大晶体管和转移晶体管，其中，所述放大晶体管的源极/漏极路径电连接在所述第一电源线和竖直信号线之间，并且其中，所述转移晶体管的源极/漏极路径电连接在所述光电转换元件和所述放大晶体管的栅极之间。
(12)根据(1)至(11)中任一项的像素衬底，其中，所述有源像素电路包括放大器部分和反馈部分，其中，所述反馈部分的可控电流路径电连接在所述第一电源线和所述光电转换元件之间，其中，所述放大器部分的可控电流路径电连接在所述反馈部分的控制输入和所述衬底区域之间，并且其中，负载元件电连接在第一电源线和放大器部分的可控电流路径之间。
(13)根据(1)至(12)中任一项的像素衬底，其中，所述保护电路包括电并联布置的至少两个横向分离的部件。
(14)一种光接收设备，包括：包括掺杂区域和衬底区域的光电转换元件，其中，掺杂区域和衬底区域形成pn结；像素电路，电连接到第一电源线和所述光电转换元件；以及保护电路，被配置为当所述第一电源线和所述衬底区域之间的电压差降到负阈值电压以下时，使所述第一电源线和所述衬底区域短路。
(15)根据(14)的光接收设备，其中，所述保护电路包括光电流源和主晶体管电路，所述主晶体管电路具有在所述第一电源线和所述衬底区域之间的可切换电流路径，其中，所述光电流源被配置为当所述第一电源线和所述衬底区域之间的电压差降到所述负阈值电压以下时接通所述可切换电流路径，以及
其中，所述光电流源形成在像素衬底上。

Claims (15)

1.一种像素衬底(100)，包括：
光电转换元件(PD)，包括掺杂区域(111)和衬底区域(112)，其中，所述掺杂区域(111)和所述衬底区域(112)形成pn结(115)；
像素电路(120)，电连接到第一电源线(101)和所述光电转换元件(PD)，以及
保护电路(130)，被配置为当所述第一电源线(101)和所述衬底区域(112)之间的电压差降到负阈值电压以下时，使所述第一电源线(101)和所述衬底区域(112)短路。
2.根据权利要求1所述的像素衬底，进一步包括：
电压基准端子(199)，其中，所述衬底区域(112)和所述电压基准端子(199)通过低电阻欧姆连接电连接。
3.根据权利要求1所述的像素衬底，
其中，所述像素电路(120)电连接到第二电源线(102)，并且其中，所述第二电源线(102)和所述衬底区域(112)电断开。
4.根据权利要求1所述的像素衬底，
其中，所述保护电路(130)包括光电流源(131)和主晶体管电路(133)，所述主晶体管电路(133)具有在所述第一电源线(101)与所述衬底区域(112)之间的可切换电流路径(134)，并且其中，所述光电流源(131)被配置为当所述第一电源线(101)与所述衬底区域(112)之间的电压差降到所述负阈值电压以下时，接通所述可切换电流路径(134)。
5.根据权利要求4所述的像素衬底，
其中，所述光电流源(131)包括光电二极管元件(132)。
6.根据权利要求5所述的像素衬底，
其中，所述光电二极管元件(132)的总水平面积小于所述光电转换元件(PD)的总水平面积。
7.根据权利要求4所述的像素衬底，
其中，所述保护电路(130)包括辅助晶体管电路(135)，所述辅助晶体管电路(135)被配置为当所述第一电源线(101)与所述衬底区域(112)之间的电压差高于所述负阈值电压时，切断所述可切换电流路径(134)。
8.根据权利要求7所述的像素衬底，
其中，所述主晶体管电路(133)包括第一场效应晶体管(141)，其中，所述辅助晶体管电路(135)包括第二场效应晶体管(142)，并且其中，所述第一场效应晶体管(141)和所述第二场效应晶体管(142)具有相同的沟道类型。
9.根据权利要求8所述的像素衬底，
其中，所述第一场效应晶体管(141)和所述第二场效应晶体管(142)是p沟道MOSFET，其中，所述光电流源(131)电连接在所述第一场效应晶体管(141)的栅极与所述衬底区域(112)之间，其中，所述第二场效应晶体管(142)的源极/漏极路径电连接在所述第一电源线(101)与所述第一场效应晶体管(141)的栅极之间，并且其中，所述第二场效应晶体管(142)的栅极电连接到所述衬底区域(112)。
10.根据权利要求1所述的像素衬底，
其中，所述像素衬底(100)包括多个光电转换元件(PD)和像素电路(120)。
11.根据权利要求1所述的像素衬底，
其中，所述像素电路(120)包括放大晶体管(422)和转移晶体管(421)，其中，所述放大晶体管(422)的源极/漏极路径电连接在所述第一电源线(101)和竖直信号线(VSL)之间，并且其中，所述转移晶体管(421)的源极/漏极路径电连接在所述光电转换元件(PD)和所述放大晶体管(422)的栅极之间。
12.根据权利要求1所述的像素衬底，
其中，有源像素电路(120)包括放大器部分(431)和反馈部分(432)，其中，所述反馈部分(432)的可控电流路径电连接在所述第一电源线(101)和所述光电转换元件(PD)之间，其中，所述放大器部分(431)的可控电流路径电连接在所述反馈部分(432)的控制输入和所述衬底区域(112)之间，并且其中，负载元件(433)电连接在所述第一电源线(101)和所述放大器部分(431)的可控电流路径之间。
13.根据权利要求1所述的像素衬底，
其中，所述保护电路(130)包括电并联布置的至少两个横向分离的部件(138)。
14.一种光接收设备，包括：
光电转换元件(PD)，包括掺杂区域(111)和衬底区域(112)，其中，所述掺杂区域(111)和所述衬底区域(112)形成pn结(115)；
像素电路(120)，电连接到第一电源线(101)和所述光电转换元件(PD)，以及
保护电路(130)，被配置为当所述第一电源线(101)和所述衬底区域(112)之间的电压差降到负阈值电压以下时，使所述第一电源线(101)和所述衬底区域(112)短路。
15.根据权利要求14所述的光接收设备，
其中，所述保护电路(130)包括光电流源(131)和主晶体管电路(133)，所述主晶体管电路(133)具有在所述第一电源线(101)与所述衬底区域(112)之间的可切换电流路径(134)，其中，所述光电流源(131)被配置为当所述第一电源线(101)与所述衬底区域(112)之间的电压差降到所述负阈值电压以下时，接通所述可切换电流路径(134)，以及
其中，所述光电流源(131)形成在像素衬底(100)上。
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