CN1890957A - 放射线图像拾取装置和放射线图像拾取方法 - Google Patents

放射线图像拾取装置和放射线图像拾取方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种放射线图像拾取装置，其可以抑制GND和电源线上的电压波动、省却逐帧等待周期、可以稳定并高速地进行运动图像照相、并可以降低成本并减小暗电流。在用于检测入射放射线的像素中，设置了用于将放射线转换为电信号的MIS型转换元件；用于读出电信号的源极跟随器型第一TFT；逐行地从第一TFT读取由驱动电路部分选择的转换元件的电信号的第二TFT；逐行地复位或刷新已由第一TFT完成从中读取的转换元件的第三TFT。

Description

放射线图像拾取装置和放射线图像拾取方法
技术领域
本发明涉及一种可适用于医学诊断和工业无损检验的放射线图像拾取装置和一种放射线图像拾取方法。在本说明书的上下文中的放射线包括X射线、γ射线、α射线和β射线。
背景技术
安装在医院和其它地方的X射线照相系统通常使用下列两种系统中的其中一种：胶片暴露于照射并透射过患者的X射线的薄膜照相系统，和透射过患者的X射线被转换为电信号并被进行数字图像处理的图像处理系统。
用于实现图像处理系统的可利用装置之一为具有将X射线转换为可见光的荧光体和将可见光转换为电信号的光电转换器件的放射线图像拾取装置。透射过患者的X射线照射荧光体，并且关于患者身体的内部信息由荧光体转换为可见光并通过光电转换器件提供为电信号。如果关于患者身体的内部信息被转换为电信号，则通过A/D转换器可将这些电信号转换为数字信号，使得要被记录、显示、打印或用于诊断的X射线图像信息作为数字值被处理。
近来，使用用于光电转换器件的非晶硅半导体薄膜的放射线图像拾取装置已进入实用。
图10示出了在日本专利申请公开第H08-116044号中所描述的、使用非晶硅半导体薄膜作为MIS型光电转换元件和开关元件的材料的常规光电转换基片的平面图，并且该示图包括连接其的布线。
图11示出了沿图10中的线11-11切割的截面。在下列描述中，为了简化起见，MIS型光电转换元件将只被称作光电转换元件。
如图11中所示，光电转换元件101和开关元件102(非晶硅TFT，在下文中简单地被称作TFT)形成于同一基片103上。光电转换元件101的下部电极与TFT 102的下部电极(栅极)由同一第一金属薄膜层104形成，光电转换元件101的上部电极与TFT 102的上部电极(源极和漏极)由同一第二金属薄膜层105形成。
第一金属薄膜层104和第二金属薄膜层105也形成于图10中所示的光电转换电路部分(放射线检测电路部分)内并共享栅极驱动线106和矩阵信号线107。图10中示出了2×2＝4个像素的等效部分，其中阴影部分为光电转换元件101的光接收面。标号109表示给光电转换元件加偏压的电源线，标号110表示将光电转换元件101与TFT 102连接的接触孔。
使用如图10中所示的非晶硅半导体用作主材料的配置，使得能够同时在同一基片上制备光电转换元件101、开关元件102、栅极驱动线106和矩阵信号线107，由此可以容易地而且以较低的成本设置大面积的光电转换电路部分(放射线检测电路部分)。
下面将参照图12A-12C描述光电转换元件101的器件操作。
图12A-12C是说明图10和图11中所示的光电转换元件101的器件操作的能带图。
图12A和图12B分别示出刷新模式下和光电转换模式下的操作，其中水平轴表示沿其薄膜厚度方向在图11中所示的每一层的状态。这里，M1表示由第一金属薄膜层104形成的下部电极(G电极)，例如，其可由Cr构成。非晶氮化硅(a-SiNx)绝缘薄膜层111为阻止电子和空穴通过的绝缘层。它需要足够的厚度以不产生隧道效应，并且通常以50nm或更大的厚度形成。
非晶氢化硅(a-Si：H)薄膜层112为由未掺杂掺杂物的本征半导体层(i层)形成的光电转换半导体层。N+层为由非单晶半导体组成的单导电型载流子的注入阻止层，如N型非晶氢化硅薄膜层，其被形成以阻止空穴注入非晶氢化硅薄膜层112中。M2表示由例如Al的第二金属薄膜层105形成的上部电极(D电极)。
在图10中，尽管为上部电极的D电极没有完全覆盖N+层113，但是因为电子可在D电极和N+层113之间自由地前后移动，所以D电极和N+层113总是处于相同电位，以下描述将以此为前提。
光电转换元件101的器件操作包括两种操作模式，即刷新模式和光电转换模式，其不同于电压被施加到D电极和G电极的方式。
在图12A中所示的刷新模式下，相对于G电极负电位被给到D电极，并且在i层112中由图中黑圆圈表示的空穴通过电场被引导到D电极。与此同时，由图中的白圆圈表示的电子被注入i层112。在该处理中，一些空穴和电子在N+层113和i层112中被重新结合并消失。如果该状态持续足够长时间，则空穴将被从i层112清除。
为了从上述状态转换到图12B中所示的光电转换模式，D电极相对于G电极具有正电位。这导致i层112中的电子立即被引导到D电极。然而，由于N+层113对空穴起注入阻止层的作用，因此空穴不被引导到i层112。在这种状态下，当光入射到i层112上时，光被吸收以产生电子空穴对。这些电子通过电场被引导到D电极。另一方面，空穴在i层112内移动并到达i层112和非晶氮化硅绝缘薄膜层111之间的界面，但是，因为这些空穴不能移动到该绝缘层111内，所以其停留在i层112内。然后，随着电子移动到D电极和空穴移动到i层112与绝缘层的界面，电流从G电极流过以保持光电转换元件101内的电中性。由于该电流与由光产生的电子空穴对相匹配，因此其与入射光成正比。
在图12B的光电转换模式下的状态保持一段时间之后，当图12A中所示的刷新模式恢复时，停留在i层112的空穴如上所述被引导到D电极，并且与这些空穴匹配的电流流过。在光电转换模式期间，这些空穴的量与已入射的光的总量匹配。然后，与注入进i层112的电子量匹配的电流也流过，但在检测中可减去该量，因为其基本上恒定。换句话说，该光电转换元件101不仅可实时地检测正在入射的光的量，也可检测在某个时段已经入射的光的总量。
然而，如果光电转换模式的持续时间非常长或者由于一些原因或其它因素使得入射光的照度非常强，则即使光入射，电流也不能流过。当如图12C中所示，许多空穴停留在i层112并且降低了i层112的电场，产生的电子不能被引导并与i层112的空穴重新结合时，这种情况发生。这样的状态被称作光电转换元件101的饱和状态。在该状态下如果光入射的条件发生变化，则电流可能不稳定地流动，但如果恢复刷新模式，则i层112中的空穴将被清除，并且在下一光电转换模式下与光成正比的电流将再次流过。
当i层112中的空穴在如上所述的刷新模式下被清除时，尽管最好清除所有空穴，但清除其中一些空穴仍是有效的，并且可获得与以上描述等同的电流而不会产生任何问题。因此，在光电转换模式下的下一检测时机存在图12C的饱和状态是可以的，然后，刷新模式下G电极相对于D电极的电位、刷新模式的持续时间和N+层113的注入阻止层的特性可被确定。
此外，在刷新模式下，将电子注入i层112不是必要条件，并且不总是要求D电极相对于G电极的电位为负，因为在i层112中有许多空穴的情况下，即使D电极相对于G电极的电位为正，在i层112中的电场也沿朝D电极引导空穴的方向作用。此外，关于为注入阻止层的N+层113的特性，不必包括将电子注入i层112的能力来作为必要条件。
图13示出了根据现有技术的光电转换电路的单像素的等效部分，其配置包括光电转换元件101和TFT 102。
参照图13，光电转换元件101包括由i层构成的电容分(content)Ci和由注入阻止层构成的另一电容部分CSiN。当光电转换元件101饱和时，即当在D电极和节点N(i层)之间没有(或几乎没有)电场时，因为光生成的电子和空穴被重新结合，在i层和注入阻止层之间的结点(图13中的节点N)不能再使空穴载流子在N部分累积。
换句话说，节点N的电位绝不会高于D电极的电位。为了实现该饱和状态下的操作，在图13中所示的配置中，二极管(D1)与电容部分Ci并联连接。因此，光电转换元件101具有三个构成元件，包括电容部分Ci、电容部分CSiN和二极管D1。
图14是示出图13中所示的光电转换电路的单像素等效部分的操作的时序图。参照图13和图14，下面将描述包括光电转换元件101和TFT 102的像素的电路操作。
首先，将描述刷新操作。
参照图13，Vs被设置为9V，Vref被设置为3V。在刷新操作中，将开关SW-A转到Vref，将开关SW-B转到Vg(on)并将开关SW-C接通。通过实现该状态，D电极被偏置到Vref(6V)，G电极被偏置到地(GND)电位并且节点N被偏置到最大Vref(6V)。在本上下文中“最大”的意思是：如果在该刷新操作之前，通过光电转换操作，节点N的电位已累积到或超过Vref，则节点N将通过二极管D1被偏置到Vref。另一方面，如果现有的光电转换未将节点N的电位提高到大于Vref，则通过该刷新操作节点N将不被偏置到Vref的电位。在实际使用中，如果在过去已进行了多次操作，则通过该刷新操作，可假定节点N被实际上偏置到Vref(6V)。
然后，在节点N被偏置到Vref之后，将开关SW-A转到Vs侧。这使得D电极被偏置到Vs(9V)。通过该刷新操作，在光电转换元件101的节点N中所累积的空穴载流子朝D电极的方向被清除。
下面，将描述关于X射线的照射周期。
如图14中所示，X射线以脉冲形式被辐射。透射过对象的X射线照射荧光体F1并被转换为可见光。来自荧光体F1的可见光照射半导体层(i层)并进行光电转换。通过光电转换产生的空穴载流子累积在节点N中并提高其电位。由于TFT 102为断开(off)状态，所以G电极侧的电位被同样提高。
等待周期介于刷新周期和X射线照射周期之间。在该等待周期无需进行特别的处理，该等待周期为防止紧接在刷新操作之后由暗电流等引起的光电转换元件101的特性的不稳定所设置的准备周期，使得直到不稳定减弱为止不允许进行操作。如果紧接在刷新操作之后光电转换元件101的特性并非不稳定，则等待周期不是特别需要。
下面，将描述传输操作。
在传输操作中，开关SW-B被转到Vg(on)侧以导通TFT 102。这使得与通过X射线照射所累积的空穴载流子(Sh)的量匹配的电子载流子(Se)通过TFT 102从读取电容C2侧流向G电极，以提高读取电容C2的电位。然后，Se和Sh之间的关系为Se＝Sh×CSiN/(CSiN+Ci)。同时，读取电容C2的电位由放大器放大并输出。TFT 102保持导通足够长时间，以使得能传输充分的信号电荷，然后，其被断开。
最后，将描述复位操作。
在复位操作中，开关SW-C被接通，读取电容C2被复位到地(GND)电位以准备下一传输操作。
图15是常规光电转换器件的二维电路图。
为了简化说明，图15仅示出了3×3＝9像素的等效部分。标号S1-1至S3-3表示光电转换元件；T1-1至T3-3表示开关元件(TFT)；G1至G3表示用于导通和断开TFT(T1-1至T3-3)的栅极线；M1至M3表示信号线；和Vs线为对光电转换元件(S1-1至S3-3)提供累积偏压或刷新偏压的线。
参照图15，在光电转换元件(S1-1至S3-3)的实黑侧的电极为G电极，在相对侧的电极为D电极。鉴于D电极在各点共享Vs线，为了便于光的入射，薄N+层被用作D电极。光电转换元件(S1-1至S3-3)、TFT(T1-1至T3-3)、栅极线G1至G3、信号线M1至M3和Vs线共同被称作光电转换电路部分(放射线检测电路部分)701。
Vs线通过电源Vs或电源Vref被加偏压，并且其响应VSC的控制信号而转换。标号SR1表示将驱动脉冲电压提供到栅极线G1-G3的移位寄存器，并且从外部提供导通TFT(T1-1至T3-3)的电压。然后，由电源Vg(on)确定要被提供的电压。
读取电路部分702放大光电转换电路部分(放射线检测电路部分)701中的信号线M1-M3的并行信号输出，将其转换为串行，并输出所转换的信号。
标号RES1-RES3表示用于复位信号线M1-M3的开关；A1-A3表示放大信号线M1-M3的信号的放大器；CL1-CL3表示暂时存储由放大器A1-A3放大的信号的取样保持电容；Sn1-Sn3表示执行取样保持的开关；B1-B3表示缓冲放大器；Sr1-Sr3表示将并行信号转换为串行的开关；SR2表示用于向开关Sr1-Sr3提供用于将并行信号转换为串行的脉冲的移位寄存器；和Ab表示输出转换成串行的信号的缓冲放大器。
图16是说明图15中所示的光电转换器件的操作的时序图。参照该时序图，下面将描述图15中所示的光电转换器件的操作。
控制信号VSC旨在将两种不同的偏压提供到Vs线，即光电转换元件(S1-1至S3-3)的D电极。当控制信号VSC为“Hi”时，D电极采用Vref(V)，当控制信号VSC为“Lo”时，D电极采用Vs(V)。读取电源Vs(V)和刷新电源Vref(V)均为直流电源。
首先，将描述刷新周期的操作。
移位寄存器SR1的所有信号被设置为“Hi”，读取电路部分702的CRES信号被设置为“Hi”。在这种状态下，对于起开关作用的所有TFT(T1-1至T3-3)和对于读取电路702中的开关元件RES1-RES3来说，接通状态被建立，并且所有光电转换元件(S1-1至S3-3)的G电极均取GND电位。然后，当控制信号VSC变为“Hi”时，所有光电转换元件(S1-1至S3-3)的D电极进入由刷新电源Vref(V)(负电位)偏置的状态。这使得所有光电转换元件(S1-1至S3-3)置于刷新模式，并且进行刷新。
下面，将描述光电转换周期。
当控制信号VSC转换为“Lo”状态时，所有光电转换元件(S1-1至S3-3)的D电极进入由刷新电源Vs(负电位)偏置的状态。用这种方法，光电转换元件(S1-1至S3-3)被置于光电转换模式。在这种状态下，移位寄存器SR1的所有信号变为“Lo”，并且读取电路部分702的CRES信号变为“Lo”。这使得起开关作用的所有TFT(T1-1至T3-3)被断开，并使得读取电路702的开关元件RES1-RES3也被断开。所有光电转换元件(S1-1至S3-3)的G电极处于直流偏置下的开路状态，但是因为光电转换元件(S1-1至S3-3)在其构成元件中也具有电容部分，所以电位被保持。
到现在为止，因为没有光入射在光电转换元件(S1-1至S3-3)上，所以没有电荷产生，即，没有电流流过。在这种状态下，当光源以脉冲形式被接通时，光照射每一光电转换元件(S1-1至S3-3)的D电极(N+电极)，并且所谓的光电流流过。尽管图15中未示出光源，但其可以是例如复印机中的荧光灯、LED、卤素灯等。在X射线图像拾取装置中，其确切地为X射线源，并且在这种情况下，可使用将X射线转换为可见光的闪烁器。由光引起流动的光电流作为电荷被累积在每一个光电转换元件(S1-1至S3-3)中，并且即使光源被断开之后，其也被保持。
下面，将描述读取周期。
读取操作采用以下顺序，首先读取第一行的光电转换元件(S1-1至S1-3)，然后读取第二行的光电转换元件(S2-1至S2-3)，最后读取第三行的光电转换元件(S3-1至S3-3)。
首先读取第一行的光电转换元件(S1-1至S1-3)，选通脉冲(gatepulse)从SR1被给到开关元件TFT(T1-1至T1-3)的栅极线G1。当完成这一操作时，选通脉冲的高电平为从外部提供的电压V(on)。由此TFT(T1-1至T1-3)被导通，并且累积在第一行的光电转换元件(S1-1至S1-3)中的信号电荷被传送到信号线M1-M3。
尽管在图15中未示出，但读取电容被添加到信号线M1-M3，并且信号电荷通过TFT(T1-1至T1-3)被传输到读取电容。例如，附加到信号线M1的读取电容等于与信号线M1相连的TFT(T1-1至T3-1)的栅极和源极之间的(3个)电容(Cgs)的总和，并且对应于图13中的电容C2。传输到信号线M1-M3的信号电荷通过放大器A1-A3放大。通过接通CRES信号，信号电荷被传输到取样保持电容CL1-CL3以断开CRES信号并被保持。
然后，通过以开关Sr1、Sr2和Sr3的顺序施加来自移位寄存器SR2的脉冲，由取样保持电容CL1-CL3保持的信号按取样保持电容CL1、CL2和CL3的顺序从放大器Ab被输出。因此，对应于第一行的光电转换元件(S1-1至S1-3)的光电转换信号被成功地读出。用同样的方法，信号从第二行的光电转换元件(S2-1至S2-3)和第三行的光电转换元件(S3-1至S3-3)被读出。
通过使用第一行的SMPL信号对信号线M1-M3的信号进行取样并将其保持在取样保持电容CL1-CL3中，使得可以利用CRES信号将信号线M1-M3复位到GND电位并在之后将选通脉冲施加到栅极线G2。因此，当第一行的信号通过移位寄存器SR2进行到串行的转换时，第二行的光电转换元件(S2-1至S2-3)的信号电荷可同时通过移位寄存器SR1被传输。
通过至此描述的操作，从第一行至第三行的所有光电转换元件(S1-1至S3-3)的信号电荷均可被输出。
可以这么说，上述的X射线图像拾取装置的操作构成获取一个静止图像的操作顺序，即执行刷新操作、使用X射线照射对象并读出作为结果而产生的信号。要获取连续的运动图像，可重复和期望的运动图像的数目同样多次数的图16的时序图所示的操作。
然而，利用使用很多个像素的X射线图像拾取装置要获取运动图像，将需要进一步提高帧频。刷新光电转换元件的操作要通过所有光电转换元件共用的Vs线进行，必需确保每帧都获得刷新周期。这导致了特殊问题，即，当要获取运动图像时，帧频被降低，即操作速度减慢。
简单的胸透所需的面积和像素间距通常说来分别不小于40cm2和不大于200μm。假定要生产具有40cm2的照相区域和200μm的像素间距的X射线图像拾取装置，则光电转换元件的数量将为四百万个之多。在刷新时同时刷新如此大量的像素将导致对应的较大电流流过，X射线图像拾取装置的电源线上的GND电位和电压波动将相应地变得较大，因此不能稳定地拾取图像。
取决于对所需图像的要求，使用X射线的照射必须等待一段时间直到这些波动减小为止。尽管在图16中未示出，但图14中的等待周期对应于该时间。换句话说，同时刷新光电转换器件不仅需要每帧一个刷新周期而且需要每帧一个等待周期。
如上所述，根据所有光电转换元件在读取操作的每帧被刷新一次的现有技术涉及难以拍摄运动图像的问题。
而且，如果照相区域大到40cm2，则信号线M1-M3的电容将升至50pF-100pF之间。如果照相像素以200μm的间距排列，则其电容将约为1pF-3pF。假定信号线电容为100pF，像素电容为2pF，并且传输操作通过TFT被执行，则在这前后信号电压将降到2pF/(2pF+100pF)≤1/50。同样地，噪声电压也将降低，但也出现一个问题，即因为后级的读取电路部分702的噪声分量不为0，该噪声分量包括所谓的电路噪声(如电阻的热噪声和晶体管的散粒噪声)，所以系统的最终S/N比将降低。
为了弥补系统S/N比的降低，应减小读取电路部分702的初始级的电路噪声。更具体地说，初始级应包括显著体现低噪声设计的高标准的放大器。为了实现这一目标，构成放大器的晶体管的元件尺寸将变得巨大，导致芯片尺寸大大增加。这将引起更大的电流消耗，并导致需要冷却机构来阻止产生的发热的另一问题。
日本专利申请公开第H11-307756号提出了一种解决S/N比降低这一问题的方法，通过该方法，来自光电转换元件的信号电位被输入TFT的栅极，并且通过将这些TFT用作源极跟随器获得输出。因为来自光电转换元件的输出信号被输入进读取电路而不会受到降低，所以该方法在提高S/N比方面具有优点。
然而，由光电转换元件中累积电荷所引起的电压被施加到源极跟随器TFT的栅极端很长一段时间。通常出现这样一种问题，即主要由非晶硅制成的TFT经受由于电场应力作用于其栅极端引起的栅极阈值电压(Vth)的波动，该阈值电压为导通TFT的指示值。
在日本专利申请公开第H11-307756号所描述的电路配置中，相对于由光电转换元件的累积电荷所引起的源极跟随器的栅极端电压Vg，降低了对应于TFT的阈值电压Vth的量的输出信号以该降低后的电平从源极端被输出。因此，输出信号电压为Vg-Vth。该电压被输入进读取电路部分。通常，可被施加到由结晶硅构成的读取电路(IC)的输入端的绝对最大额定值相对于其光电源电压约为0.5V。这样就存在一种风险，即如果源极跟随器TFT的阈值电压Vth变化，则可能超过读取电路的输入额定值，并且如果该风险成为现实，则读取电路会被毁坏。
现今，半导体加工变得日趋精细，其需要降低源电压和电流消耗。作为读取电路的电源，单5V电源日益被广泛使用。因此，国外和国内对读取电路的输入电压的要求通常为0-5V，因此对源极跟随器型TFT的阈值电压Vth波动的限制应限制在非常小的范围内。实际上，甚至在从工厂装运时(在TFT生产时)TFT的阈值电压Vth也是不均匀的，并且当其工作时阈值电压也是变化的。日本专利申请公开第H11-307756号未提及对TFT中的阈值电压Vth波动这一问题的任何解决办法。
此外，根据日本专利申请公开第H11-307756号的光电转换元件由PIN型光电二极管构成。由于这些PIN型光电二极管不需要MIS型光电转换元件所需的刷新操作，因此，其似乎不会产生在刷新操作引起的运动图像拾取方面的难题。然而，这些PIN型光电二极管需要包括PI结和IN结的两种结，这就引起了暗电流增加的问题。特别是，P层为光电转换元件独有的层，并需要与在相同的基片上生产的其它TFT完全不同的生产工艺。这就意味着TFT和光电转换元件的层叠结构必需分开生产，从而在产量和成本方面是不利的。
发明内容
试图解决上述问题的本发明的一个目的是提供一种放射线图像拾取装置和一种放射线图像拾取方法，其可以抑制GND和电源线上的电压波动、省却逐帧等待周期、可以稳定并高速地进行运动图像照相、并可以降低成本并减小暗电流。
根据本发明的放射线图像拾取装置具有：放射线检测电路部分，其中用于检测入射放射线的多个像素被二维排列在基片上，和驱动电路部分，用于驱动所述放射线检测电路部分，其中像素包括：MIS型转换元件，用于将入射放射线转换为电信号；源极跟随器型第一场效应晶体管，用于读出通过所述转换元件的转换产生的电信号；第二场效应晶体管，其被设置以从所述第一场效应晶体管读出通过所述驱动电路部分逐行选择的所述转换元件的电信号；和第三场效应晶体管，其被设置以逐行复位或刷新通过所述第一场效应晶体管读出的所述转换元件。
在另一种模式的根据本发明的放射线图像拾取装置中，转换元件的一种类型的电极(G电极)通过第三场效应晶体管连接到第一开关，该第一开关用于在执行复位的复位偏压和执行刷新的第一刷新偏压之间的转换；并且转换元件的另一类型的电极(D电极)通过与各个转换元件公用的偏压线被连接到第二开关，该第二开关用于在通过转换元件提供转换操作的传感器偏压和刷新转换元件的电信号的第二刷新偏压之间的转换。
在另一种模式的根据本发明的放射线图像拾取装置中，在转换元件的刷新操作中，第一刷新偏压用于获取运动图像并且第二刷新偏压用于获取静止图像。
在另一种模式的根据本发明的放射线图像拾取装置中，来自复位偏压、第一刷新偏压、传感器偏压和第二刷新偏压的至少一个偏压值根据第一场效应晶体管中的栅极阈值电压(Vth)被确定。
在另一种模式的根据本发明的放射线图像拾取装置中，其进一步具有读取电路部分，用于读出来自放射线检测电路部分的输出信号，并且读取电路部分包括：放大装置，用于放大来自放射线检测电路部分的输出信号；累积装置，用于临时累积放大的输出信号；和串行转换装置，用于使累积的输出信号进行串行转换。
在另一种模式的根据本发明的放射线图像拾取装置中，转换元件、第一场效应晶体管、第二场效应晶体管和第三场效应晶体管主要由非晶硅半导体构成。
在另一种模式的根据本发明的放射线图像拾取装置中，转换元件被配置为具有：作为下部电极形成在所述基片上的第一金属薄膜层；形成在所述第一金属薄膜层上并由非晶氮化硅构成的用于阻止电子和正空穴通过的绝缘层；形成在绝缘层上并由非晶氢化硅构成的光电转换层；形成在光电转换层上以阻止正空穴注入的N型注入阻止层；和作为上部电极在注入阻止层上或在注入阻止层的一部分上形成的第二金属薄膜层上形成的透明导电层。在刷新模式中，沿从所述光电转换层朝所述第二金属薄膜层引导正空穴的方向，对所述转换元件提供电场，在光电转换模式中，对所述转换元件提供电场以使通过放射线入射在所述光电转换层产生的正空穴停留在光电转换层中并朝第二金属薄膜层引导电子，并且在所述光电转换模式中在所述光电转换层中累积的所述正空穴、或朝所述第二金属薄膜层引导的所述电子被检测作为光信号。
在另一种模式的根据本发明的放射线图像拾取装置中，其还具有用于转换放射线的波长的波长转换器。
在另一种模式的根据本发明的放射线图像拾取装置中，波长转换器可具有Gd2O2S、Gd2O3和CsI之一作为其主材料。
根据本发明的一种放射线图像拾取方法为用于放射线图像拾取装置的放射线图像拾取方法，放射线图像拾取装置具有放射线检测电路部分和用于驱动所述放射线检测电路部分的驱动电路部分，在放射线检测电路部分中的像素设置有：用于将入射放射线转换为电信号的MIS型转换元件；用于读出电信号的源极跟随器型第一场效应晶体管；设置用于从所述第一场效应晶体管读出所述转换元件中所选择的转换元件的电信号的第二场效应晶体管；和设置用于复位或刷新所述转换元件的第三场效应晶体管，其中所述像素被二维排列在基片上，由此当所述转换元件的电信号从所述第一场效应晶体管读出时，通过使所述驱动电路部分逐行驱动所述第二场效应晶体管，所述电信号被逐行读出，并且已经从中读取已完成的所述转换元件通过所述第三场效应晶体管被逐行复位或刷新。
根据本发明，由于从中电信号已被读出的转换元件被逐行刷新(或复位)，所以可抑制GND和电源线上的电压波动、可省却逐帧等待周期、并可以稳定并高速地进行运动图像照相。此外，由于光电转换元件为MIS型配置，不同于PIN型配置，因此暗电流可被抑制，并且可以以较低成本制造放射线图像拾取装置。根据本发明实现的放射线图像拾取装置可特别应用于比目前更高质量的医疗处理环境，以服务于未来的老龄化社会。
此外，由于转换元件的电信号通过源极跟随器型第一场效应晶体管读出，所以不用减小转换元件的输出信号就可读出该电信号，从而与常规放射线图像拾取装置相比产生更高的S/N比。此外，由于复位偏压、第一刷新偏压、传感器偏压和第二刷新偏压的至少一个偏压根据第一场效应晶体管中的阈值电压(Vth)被确定，所以即使第一场效应晶体管的阈值电压(Vth)例如在正使用放射线图像拾取装置的时候发生变化，该变化也可通过改变复位偏压等得到补偿。因此，转换元件的电信号可被稳定地输出，使得可以实现高可靠性的放射线图像拾取装置。
而且，由于组成像素的光电转换元件、第一场效应晶体管、第二场效应晶体管和第三场效应晶体管主要由非晶硅半导体构成，所以光电转换元件和场效应晶体管可在相同基片上制造，使得在生产过程中放射线图像拾取装置的产量可被提高。
结合附图，根据以下描述，本发明的其它特征和优点将变得显而易见，其中相同的参考符号表示相同或类似的部分。
附图说明
包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图说明了本发明的实施例，并且与说明书一起用于说明本发明的原理。
图1是在本发明的一个优选实施例中的X射线图像拾取装置的单像素等效部分的电路图；
图2是示出图1中所示的X射线图像拾取装置的操作的时序图；
图3是本发明的优选实施例中的X射线图像拾取装置的二维电路图；
图4是示出图3中所示的X射线图像拾取装置的操作的时序图；
图5示出了本发明的优选实施例中的X射线图像拾取装置的照相顺序；
图6是在放射线检查模式(运动图像模式)下图5中所示的X射线图像拾取装置的时序图；
图7是在放射线检查模式(运动图像模式)下图5中所示的X射线图像拾取装置的另一时序图；
图8是在照相模式(静止图像模式)下图5中所示的X射线图像拾取装置的时序图；
图9示出了本发明优选实施例中的X射线图像拾取装置应用于X射线诊断系统的示例的示意图；
图10示出了通过将非晶硅半导体薄膜用作光电转换元件和开关元件的材料所配置的光电转换基片的平面图；
图11示出了沿图10中的线11-11所切割的截面图；
图12A、12B和12C是说明图10和图11中所示的光电转换元件的器件操作的能带图；
图13示出了其配置包括光电转换元件和TFT(光电转换元件TFT)的光电转换电路的单像素的等效部分；
图14是示出图13中所示的光电转换电路的单像素的等效部分的操作的时序图；
图15是常规X射线图像拾取装置的二维电路图；和
图16是示出常规X射线图像拾取装置的操作的时序图。
具体实施方式
下面将参照附图描述体现本发明的放射线图像拾取装置和放射线图像拾取方法。对本发明优选实施例的下列描述将涉及具有在其上形成光电转换阵列的基片的放射线图像拾取装置，该放射线图像拾取装置与上述的常规装置一样使用MIS型光电转换元件，并且使用非晶硅半导体薄膜作为用于场效应晶体管的半导体材料。尽管要描述的本发明的实施例使用X射线作为放射线，但本发明不限于此，可适用的放射线还包括诸如γ射线以及α射线和β射线之类的电磁波。
图1是本发明的优选实施例中的X射线图像拾取装置的单像素等效部分的电路图。
如图1中所示，MIS型光电转换元件10包括由作为半导体光电转换层的非晶氢化硅等的i层构成的电容部分Ci，和由非晶氮化硅等的绝缘层(双导电型载流子的注入阻止层)构成的电容部分CSiN。当光电转换元件10饱和时，即当在D电极和节点N(i层)之间没有(或几乎没有)电场时，因为光生成的电子和空穴随后被重新结合，所以，在这些i层和注入阻止层之间的结点(图1中的节点N)不能再使空穴载流子在N部分累积。
换句话说，节点N的电位绝不会高于D电极的电位。为了实现该饱和状态下的操作，在图1中所示的配置中，二极管(D1)与电容部分Ci并联连接。因此，光电转换元件10具有三个构成元件，其包括电容部分Ci、电容部分CSiN和二极管D1。
Vref1为通过第三TFT(13)刷新光电转换元件10的第一刷新偏压，Vrst为同样通过第三TFT(13)复位光电转换元件10的复位偏压。通过选择第一开关SW1的连接，实现在这些偏压之间的转换。第三TFT(13)为复位或刷新光电转换元件10的场效应晶体管，并用作开关元件。Vs为用于将电压提供到光电转换元件10的D电极的传感器偏压，以使光电转换元件10通过各个光电转换元件公用的Vs线执行光电转换；Vref2为用于通过各个光电转换元件公用的Vs线刷新光电转换元件10的第二刷新偏压。通过选择第二开关SW2的连接，实现在这些偏压之间的转换。所有这些第一刷新偏压Vref1、复位偏压Vrst、传感器偏压Vs和第二刷新偏压Vref2均为可调电源。
第一TFT(11)为向放大器15提供输出而不降低累积在光电转换元件10中的信号电位的场效应晶体管。第一TFT(11)为栅极端与光电转换元件10的G电极相连的源极跟随器型晶体管。第二TFT(12)为选择性地将漏极偏压Vdd提供到第一TFT(11)的漏极端的场效应晶体管，并用作开关元件。电容C2为在第一TFT(11)的源极端寄生的读取电容。标号FL表示吸收X射线并将其转换为可见光的荧光体。
通过荧光体FL的转换所产生的可见光照射MIS型光电转换元件10，并通过该光电转换元件执行光电转换，生成电子和正空穴。如上所述，荧光体FL为将X射线波长转换为可见域波长的波长转换荧光体，并且被设置在直接或间接地靠近TFT的位置。作为该荧光体FL的原材料可使用Gd2O2S：Tb、Gd2O3：Tb、CsI：Tl、CsI：Na等。用于光电转换元件10、第一TFT(11)、第-二TFT(12)和第三TFT(13)的材料主要为非晶硅。
在本发明的本实施例中，当累积在光电转换元件10中的信号电荷通过按源极跟随器连接的第一TFT(11)被输出到放大器15时，该第一TFT(11)的栅极阈值电压Vth例如在使用过程中发生波动，并且通过改变复位偏压Vrst可降低或消除阈值电压的波动对输出的影响。
例如，Vrst1表示光电转换元件10的复位电压，Vth1表示第一TFT(11)的阈值电压，在暗状态下(当信号电荷为0时)，输出电压为(Vrst1)-(Vth1)。当信号电荷Vsig已被累积时，输出电压为(Vrst1)+(Vsig)-(Vth1)。
例如，如果第一TFT(11)的阈值电压Vth2从其初始阈值电压Vth1已变化了+2V，并且自其开始使用起的三年中信号电荷Vsig被累积，则其输出电压将为(Vrst1)+(Vsig)-(Vth2)，即(Vrst1)+(Vsig)-(Vth1)-2，输出电压被降低了2V，即阈值电压差。这就出现了信号检测不准确的问题，并且在一些情况下可能超过放大器15(在下文中将要描述的信号读取电路部分)的输入额定值，从而引起一些器件出现问题。在本发明的本实施例中，通过将复位偏压Vrst改变与如上所述的第一TFT(11)的阈值电压Vth的变化相同的偏压，该问题被解决。
根据没有光照射的暗状态下预先获得的输出电平和已知的Vrst电平，或者根据实验获得的“使用期间的变化和阈值电压Vth的变化”的函数，可得出第一TFT(11)的阈值电压Vth的变化。即使第一TFT(11)的阈值电压Vth的变化后，通过将第一刷新偏压Vref1(其为通过第三TFT(13)刷新光电转换元件10的电源)改变与复位偏压Vrst的变化相同的量，第一刷新偏压Vref1也可被类似地刷新。
当在光电转换元件10中已经累积的载流子为空穴载流子的情况下，刷新条件将为(Vref1)＞(Vrst)的关系。如果(ΔVth)＜＜(Vref1)-(Vrst)，其中ΔVth为阈值电压Vth的变化，则几乎不需要改变第一刷新偏压Vref1。
鉴于Vs表示传感器偏压，当第一刷新偏压Vref1改变第一TFT(11)的阈值电压Vth的变化量时，对光电转换元件10的半导体层(Ci)起作用的电位差发生变化。该电位差确定饱和电荷量。该饱和电荷量最好始终被设置为常量，即，与复位偏压Vrst和第一刷新偏压Vref1一样，最好将传感器偏压Vs改变与ΔVth同样多的量。
Vref2为刷新光电转换元件10的第二刷新偏压。通过转换第二开关SW2，从Vs线(公用线)提供刷新电压。然后，第三TFT(13)被导通，并且第一开关SW1设在复位偏压Vrst侧。因此，在刷新期间D电极被设置为Vref2，G电极被设置为Vrst。由于该复位偏压Vrst根据阈值电压Vth改变，当要使用第二刷新偏压时，该第二刷新偏压Vref2最好与复位偏压Vrst类似地变化。
在使用第二刷新偏压Vref2的刷新操作中，当Vs线用于公用时，在单个刷新操作中大量的电荷被移动，系统的GND电位和参考电位变化，并且下一读取操作不能被执行，直到其恢复完成为止。在配置40cm2的光电转换元件中，该等待周期为从0.5秒甚至到几秒。因此，使用第二刷新偏压Vref2的刷新操作不适合于其中涉及运动体的运动图像拍摄。在该实施例中，使用第一刷新偏压Vref1的刷新操作被应用于运动图像拍摄，而使用第二刷新偏压Vref2的刷新操作被应用于静止图像拍摄。
如上所述，在本发明的本实施例中，复位偏压Vrst改变与对应于第一TFT(11)的阈值电压Vth的变化同样多的量。此外，与此相应，第一刷新偏压Vref1、传感器偏压Vs和第二刷新偏压Vref2也变化。
图2是示出图1中所示的X射线图像拾取装置的操作的时序图。如图2中所示，存在4个不同的操作周期，包括X射线照射周期、读取周期、刷新周期和复位周期。
首先，将描述X射线照射周期。
如图2中所示，X射线以脉冲形式被辐射。透射过对象的X射线照射荧光体FL，该荧光体将X射线转换为可见光。然后，通过荧光体的转换所产生的可见光照射光电转换元件10的半导体层(i层)并在那里进行光电转换。光电转换产生的空穴载流子被累积在i层和绝缘层(注入阻止层)之间的界面以升高节点N的电位。G电极的电位也被升高同样多。在X射线照射周期，第一开关SW1被设置在复位偏压Vrst侧并且第二开关SW2被设置在传感器偏压Vs侧。
下面，将描述读取周期。
通过将电压提供到图1中所示的第二TFT(12)的栅极端Vt并由此将其作为开关元件导通，读取操作被实现。由于对应于使用X射线照射所累积的载流子空穴(Sh)量的电位被施加到第一TFT(11)的栅极，所以第二TFT(12)的导通导致电流在第一TFT(11)的漏极和源极之间流动。这导致要被输入到放大器15的输出信号。然后，第三TFT(13)的栅极阈值电压Vth使输出信号从施加到要被供给的栅极的电位偏移等同于Vth的量。
下面，将描述刷新操作。
图2示出了当电容部分Ci和电容部分CSiN相等时D电极、G电极和节点N的电位。通过将信号输入到第三TFT(13)的栅极端Vr以将其作为开关元件置于导通状态，并将第一开关SW1连接到第一刷新偏压Vref1侧，实现刷新操作。然后，节点G的电位升高，但是由于Ci＝CSiN，节点N的电位也同时以一半陡的斜率升高。然而，节点N的电位的升高绝不会超过Vs＝9V。升高节点N的电位使得累积在节点N中的部分信号电荷(空穴载流子)被注入D电极侧。即，光电转换元件10进行刷新操作。
下面，将描述复位操作。
通过将信号输入到第三TFT(13)的栅极端Vr以将其作为开关元件导通，并且将第一开关SW1连接到复位偏压Vrst侧，复位操作被实现。该操作使得光电转换元件10的G电极被复位到复位偏压Vrst。在该复位操作中，节点N的电位从刷新操作时的电位(图2中的Vs)衰减。当电容部分Ci和电容部分CSiN相等时，衰减量ΔVN为第一刷新偏压Vref1和复位偏压Vrst之间的电位差的1/2。节点N的衰减量ΔVN确定将由下一光电转换累积的空穴载流子的量，即饱和电荷量。
尽管在图14中所示的转换处理中的相应阶段提供了等待周期，但在图2中所示的本实施例中没有提供等待周期。将参照图3和图4描述其原因。
图3是本发明的优选实施例中的X射线图像拾取装置的二维电路图。
为了简化说明，图3中仅示出3×3＝9像素的等效部分。标号S(1-1)至S(3-3)表示光电转换元件；T1(1-1)至T1(3-3)表示其栅极端与光电转换元件10的G电极相连的第一TFT；T2(1-1)至T2(3-3)表示被设置用于在扫描中逐行选择性地读取光电转换元件的电信号的第二TFT；T3(1-1)至T3(3-3)表示被设置用于刷新或复位从中电信号已被读出的光电转换元件的第三TFT。
标号G1-G4表示用于导通或断开为第二TFT的T2(1-1)至T2(3-3)、为第三TFT的T3(1-1)至T3(3-3)的栅极线；M1-M3表示信号线。Vs公用线为所有像素的公用线，用以将传感器偏压(Vs)或第二刷新偏压(Vref2)提供到光电转换元件S(1-1)至S(3-3)的D电极。Vr公用线为所有像素的公用线，用以将复位偏压(Vrst)或第一刷新偏压(Vref1)提供到光电转换元件S(1-1)至S(3-3)的G电极。
光电转换元件S(1-1)至S(3-3)的实黑侧的电极为G电极，相对侧的电极为D电极。为了便于光的入射，部分共享Vs公用线的薄N+层被用作D电极。光电转换元件S(1-1)至S(3-3)、第一TFT(T1(1-1)至T1(3-3))、第二TFT(T2(1-1)至T2(3-3))、第三TFT(T3(1-1)至T3(3-3))、栅极线G1-G3、信号线M1-M3、Vs公用线、Vr公用线、传感器偏压Vs、第二刷新偏压Vref2、复位偏压Vrst和第一刷新偏压Vref1共同被称作光电转换电路部分(放射线检测电路部分)31。
移位寄存器SR1构成驱动电路部分32，其用于将起驱动作用的脉冲电压提供到栅极线G1-G4，并且导通或断开第二TFT(T2(1-1)至T2(3-3))和第三TFT(T3(1-1)至T3(3-3))，从而逐行地从第一TFT(T1(1-1)至T1(3-3))读出光电转换元件S(1-1)至S(3-3)的电信号。
读取电路部分33光电转换电路部分31中读取并行输出信号，然后将其转换为串行，并提供该转换信号。标号A1-A3表示信号线M1-M3与其反相端(-)相连的运算放大器。电容元件Cf1-Cf3被分别连接在这些反相端(-)和输出端之间。此外，电流源I1-I3被分别连接到信号线M1-M3。当第二TFT(T2(1-1)至T2(3-3))导通时，电容元件Cf1-Cf3累积光电转换元件S(1-1)至S(3-3)的电信号。标号RES1-RES3表示将电容元件Cf1-Cf3复位的开关并且与电容元件Cf1-Cf3并联。在图3中，复位偏压由GND表示。标号CL1-CL3表示暂时存储累积在运算放大器A1-A3和电容元件Cf1-Cf3中的信号的取样保持电容。标号Sn1-Sn3表示使取样保持电容CL1-CL3执行取样保持的开关；B1-B3为缓冲放大器；Sr1-Sr3为将并行信号转换为串行的开关；SR2为向Sr1-Sr3提供用于转换为串行的脉冲的移位寄存器；以及1000为用于输出转换为串行的信号的放大器。
图4是示出图3中所示的X射线图像拾取装置的操作的时序图。其示出了两帧等效操作。图4的时序图示出了包括光电转换周期和读取周期的两个操作周期。
首先，将描述光电转换周期。
所有光电转换元件S(1-1)至S(3-3)的D电极均处于被读取电源VS(正电位)偏置的状态。移位寄存器SR1的每个信号均为“低”，并且为第二TFT的T2(1-1)至T2(3-3)、为第三TFT的T3(1-1)至T3(3-3)均被断开。当在该状态下X射线以脉冲方式入射时，每个光电转换元件的D电极(N+电极)通过荧光体由可见光照射，并在每个光电转换元件的i层中产生电子和空穴载流子。然后，在电子通过传感器偏压Vs被移动到D电极的同时，空穴在光电转换元件内的i层和绝缘层中被累积，并且在X射线的照射停止之后被继续保持。
下面，将描述读取周期。
读取操作以下列顺序进行，首先是第一行的光电转换元件(S1-1至S1-3)、然后是第二行的光电转换元件(S2-1至S2-3)、最后是第三行的光电转换元件(S3-1至S3-3)。
首先读出第一行的光电转换元件(S1-1至S1-3)，选通脉冲从移位寄存器SR1被提供到栅极线G1，从而导通第一行的第二TFT(T2(1-1)至T2(1-3))。由此使漏电流流到第一行的第一TFT(T1(1-1)至T1(1-3))，其栅极端电位与第一行的光电转换元件(S1-1至S1-3)的信号电荷一致，并且电流流入与集成在其中的读取电路部分33的第一级的运算放大器A1-A3相连的电容Cf1-Cf3。
根据光电转换元件的信号量，运算放大器A1-A3的端子如图4所示变化。由于第一行的第二TFT(T2(1-1)至T2(1-3))被同时导通，所以运算放大器A1-A3的输出同时变化。因而它们被并行输出。在该状态下通过接通“SMPL”信号，运算放大器A1-A3的输出信号被传输到取样保持电容CL1-CL3，并且当开SMPL信号断开时被保持在电容CL1-CL3中。然后，脉冲从移位寄存器SR2依次施加到开关Sr1、Sr2和Sr3，并且依次将输出从CL2和CL3提供到放大器1000。因此，第一行的光电转换元件(S1-1至S1-3)的光电转换信号顺序转换为串行并输出。第二行的光电转换元件(S2-1至S2-3)的读取操作和第三行的光电转换元件(S3-1至S3-3)的读取操作以相同方式被实现。
当第一行的SMPL信号使得运算放大器A1-A3的信号被取样保持电容CL1-CL3取样保持时，其意味着第一行的光电转换元件(S1-1至S1-3)的信号已从光电转换电路部分31输出。因此，在读取电路部分33内通过开关Sr1-Sr3进行到串行的转换的同时，可以执行光电转换电路部分31内的第一行的光电转换元件(S1-1至S1-3)的刷新操作或复位操作、或者电容元件Cf1-Cf3的复位操作。
在该实施例中，第一行的光电转换元件(S1-1至S1-3)的刷新操作与第二行的光电转换元件(S2-1至S2-3)的读取操作同时执行。为实现这一点，用于控制第一行的第三TFT(T3(1-1)至T3(1-3))的栅极线与用于控制第二行的第二TFT(T2(2-1)至T2(2-3))的栅极线G2相同。因此，同一栅极线由两行共享。
当栅极线G2接通时Vref1/XVrst信号升高为“Hi”，使得Vr公用线被Vref1偏置，并使得第一行的光电转换元件(S1-1至S1-3)被刷新。之后，类似地，当栅极线G2接通时Vref1/XVrst信号下降为“Lo”，使得Vr公用线被复位偏压Vrst偏置，并且第一行的光电转换元件(S1-1至S1-3)的G电极通过复位偏压Vrst复位。当该栅极线G2接通时，第二行的第二TFT(T2(2-1)至T2(2-3))被同时导通，与第二行的光电转换元件(S2-1至S2-3)匹配的电位类似地被读出。以这种方法，在本发明的本实施例中，第n行的光电转换元件以及第n-1行的光电转换元件的刷新操作和复位操作被同时执行。
通过以上所述操作，第一至第三行的所有光电转换元件S(1-1)至S(3-3)的信号电荷可被输出。
通过执行上述操作来重复执行光电转换周期和读取周期，可获取连续运动图像。本实施例的时序图与表示现有技术的图16的时序图的区别在于没有刷新周期，并且获取运动图像的帧频被相应地增加。而且，因为所有的光电转换元件被集中刷新，所以现有技术需要等待周期以减小由于刷新时出现的暗电流分量所引起的GND和电源的波动。在本实施例中，由于刷新为逐行进行，同时刷新的光电转换元件的数量很少，所以不需要单独的等待周期，并且运动图像的帧频也可相应地增加。
图5示出了本发明的优选实施例中的X射线图像拾取装置的照相顺序。图5示出照相顺序，包括从放射线检查模式(运动图像模式)的操作状态到满足拍摄者的拍摄静止图像的需要的照相模式(静止图像模式)的转换。
图6是图5中所示的X射线图像拾取装置在放射线检查模式(运动图像模式)下的时序图。在放射线检查模式下，重复图6中绘制的定时操作。在该周期内，确定对象(患者)的位置和角度以拍摄对象的静止图像，拍摄者监视患者的放射线检查图像。通常在该周期内，使用较小剂量的X射线执行照射。当拍摄者向X射线图像拾取装置发出曝光请求信号(打算拍摄静止图像的信号)时，发生从放射线检查模式到照相模式的转换。图8中示出照相模式下的操作定时。从放射线检查模式到照相模式的流程并非总是仅涉及照相模式一次，如图5所示，而是根据拍摄对象的图像构成，照相模式可按需要重复多次，如放射线检查模式→照相模式→放射线检查模式→照相模式等。
图7是图5中所示的X射线图像拾取装置在放射线检查模式(运动图像模式)下的不同于图6中所示的另一时序图。与图6的差别在于X射线不是以脉冲形式辐射。这使得读取周期内和光电转换周期内的操作可以同时进行，从而产生可提高放射线检查模式下的操作频率的优点。此外，由于X射线不是以脉冲形式入射，可减少X射线发生源的负载。
根据本发明的X射线图像拾取装置被应用于放射线检查装置，在放射线检查模式中，通过第三TFT(T3(1-1)至T3(3-3))提供第一刷新偏压Vref1，定位和其它方面由放射线检查确定，并且在转换到静止图像照相模式的情况下，从Vs公用线提供第二刷新偏压Vref2。由于来自Vs公用线的刷新同时覆盖所有像素，所以在刷新操作之后，系统的GND电位和参考电位的波动变得较大，从而导致一个缺点，即下一读取操作不能进行，直到其恢复完成为止，这不适合于运动图像照相(放射线检查)。然而同时，缺少介入TFT产生了一个优点，即因为在Vs公用线和第二刷新偏压Vref2之间可获得较大的电位差，所以可设置较大量的饱和电荷。因此，对于使用静止图像照相以获取用于诊断用途的静止图像来说，通过使用来自公用线Vs侧的第二刷新偏压Vref2执行刷新，确保高S/N比更有益。
图9示出了本发明优选实施例中的X射线图像拾取装置应用于X射线诊断系统的示例的示意图。
由X射线管6050产生的X射线6060透射过患者或对象6061的胸部6062，并入射在放射线图像拾取装置(图像传感器)6040上。这些入射X射线包含关于对象6061身体的内部情况的信息。响应X射线的入射，该信息通过荧光体转换为可见光，然后进行光电转换从而获得电信号。这些电信号被转换为数字信号，由图像处理器6070对其进行图像处理，并且在控制室内的显示器6080上观察获得的图像。
通过诸如电话线6090之类的传输装置，该视觉信息可被传输到远地，并可在另一地方如医生工作室中显示在显示器6081上或存储在诸如光盘之类的存储介质中，使得医生能够在远地诊断所摄患者。此外，可视信息也可通过胶片处理器6100记录在胶片上。
尽管本发明的实施例的以上描述涉及一种X射线图像拾取装置或X射线图像拾取系统，但也可将诸如γ射线、α射线或β射线之类的放射线转换为光，并将产生的光应用到光电转换器件。根据本发明的光电转换元件阵列也可用于检测可见光或红外线的一般图像拾取装置。本发明使用的场效应晶体管最好为薄膜晶体管，其中通过使用诸如非晶氢化硅之类的非单晶半导体形成沟道域，并且其形式不限于下部栅极交错形式，而是也可使用上部栅极交错形式或上部栅极共面形式。
本实施例的MIS型光电转换元件10具有与图11中所示的光电转换元件101类似的层配置。因此，其具有作为下部电极在绝缘基片103上的形成的第一金属薄膜层104、由非晶氮化硅构成并形成在第一金属薄膜层上以阻止电子和正空穴的通过的绝缘层111、由非晶氢化硅构成并形成在绝缘层上的光电转换层112、形成在光电转换层上以阻止正空穴注入的N型注入阻止层113，和作为上部电极在注入阻止层113上和在注入阻止层113的一部分上形成的第二金属薄膜层105上形成的透明导电层(未示出)。关于MIS型光电转换元件10的器件操作，如图12A-12C中所示，在刷新模式(图12A)中，沿从光电转换层112朝第二金属薄膜层105引导正空穴的方向提供电场，而在光电转换模式(图12B)中，沿使通过放射线入射在光电转换层112产生的正空穴停留在光电转换层中并朝第二金属薄膜层105引导电子的方向提供电场。在光电转换模式中，检测在光电转换层112中累积的正空穴或引向第二金属薄层105的电子作为光信号。
在本发明的本实施例中，由于读出MIS型光电转换元件10被逐行刷新(或复位)，所以与一起刷新所有像素的常规X射线图像拾取装置相比，其仅较少数量的光电转换元件10要刷新，从而可减小紧接在每次刷新操作后流过的瞬态电流，抑制GND和电源线上的电压波动，省却了逐帧等待周期并可以稳定并高速地进行运动图像照相。此外，由于光电转换元件10为MIS型配置，不同于PIN型配置，因此不需要形成P层，从而可抑制暗电流，并且可以以较低成本制造该放射线图像拾取装置。
此外，由于转换元件的电信号通过源极跟随器型第一场效应晶体管读出，所以不会减小转换元件的输出信号而可读出该电信号，从而与常规放射线图像拾取装置相比可产生更高的S/N比。这使得不必具有如常规装置中的读取电路部分的初始级的低噪声设计的放大器。也不需要增加元件尺寸。相应地，该读取电路部分可减少电流消耗和发热。这提供了一个优点，即简化了否则装置需要的复杂的散热机构，并增加了装置外形设计的自由度。
此外，由于复位偏压Vrst的偏压值可变，因此MIS型光电转换元件10可通过第三TFT(13)复位到任意期望的电压。由于这样使得施加到第一TFT(11)的栅极端的累积开始电压能够被确定为Vrst，所以不管第一TFT(11)的阈值电压(Vth)具有什么电平，要被输出到读取电路部分33的电压电平在累积开始时都可被调整到(Vrst)-(Vth)。由于这样能够补偿可能发生的第一TFT(11)的阈值电压的任何变化，因此MIS型光电转换元件10的电信号可被稳定地输出，从而可以得到高可靠的放射线图像拾取装置。
在本实施例中，鉴于MIS型光电转换元件10通过第三TFT(13)由第一刷新偏压Vref1刷新，当累积在MIS型光电转换元件10的空穴载流子要被刷新时，应当有关系式(Vrst)＜(Vref1)。因此，在本实施例中，当复位偏压Vrst可根据第一TFT(11)阈值电压(Vth)改变时，第一刷新偏压Vref1可类似地改变。
由于组成像素的光电转换元件10、第一TFT(11)、第二TFT(12)和第三TFT(13)主要由非晶硅半导体构成，所以光电转换元件和场效应晶体管可在相同基片上制造，使得在生产过程中放射线图像拾取装置的产量可被提高。
由于在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可得到本发明的许多更明显广泛不同的实施例，因此应当理解，本发明并不限于其特定实施例，而是由权利要求中限定。
本申请要求对2003年12月5日提交的日本专利申请第2003-408032号的优先权，日本专利申请第2003-408032号以参照的方式被包含在这里。

Claims (10)

1、一种放射线图像拾取装置，具有：
放射线检测电路部分，其中用于检测入射放射线的多个像素被二维排列在基片上；和
驱动电路部分，用于驱动所述放射线检测电路部分，其特征在于：
所述像素包括：
MIS型转换元件，用于将入射放射线转换为电信号，
源极跟随器型第一场效应晶体管，用于读出通过所述转换元件的转换产生的电信号，
第二场效应晶体管，其被设置以从所述第一场效应晶体管读出通过所述驱动电路部分逐行选择的所述转换元件的电信号，和
第三场效应晶体管，其被设置以逐行复位或刷新通过所述第一场效应晶体管读出的所述转换元件。
2、根据权利要求1的放射线图像拾取装置，其特征在于：
所述转换元件的一种类型的电极通过所述第三场效应晶体管连接到第一开关，该第一开关用于在执行所述复位的复位偏压和执行所述刷新的第一刷新偏压之间转换，并且
所述转换元件的另一类型的电极通过与各个转换元件公用的偏压线连接到第二开关，该第二开关用于在通过所述转换元件提供转换操作的传感器偏压和刷新所述转换元件的电信号的第二刷新偏压之间转换。
3、根据权利要求2的放射线图像拾取装置，其特征在于：
在所述转换元件的刷新操作中，所述第一刷新偏压用于获取运动图像并且所述第二刷新偏压用于获取静止图像。
4、根据权利要求2的放射线图像拾取装置，其特征在于：
所述复位偏压、所述第一刷新偏压、所述传感器偏压和所述第二刷新偏压中的至少一个偏压值根据所述第一场效应晶体管中的栅极阈值电压被确定。
5、根据权利要求1的放射线图像拾取装置，其特征在于：
其进一步具有读取电路部分，用于读出来自所述放射线检测电路部分的输出信号，并且
所述读取电路部分包括：放大装置，用于放大来自所述放射线检测电路部分的输出信号；累积装置，用于临时累积放大的输出信号；和串行转换装置，用于使累积的输出信号进行串行转换。
6、根据权利要求1的放射线图像拾取装置，其特征在于：
所述转换元件、所述第一场效应晶体管、所述第二场效应晶体管和所述第三场效应晶体管主要由非晶硅半导体构成。
7、根据权利要求1的放射线图像拾取装置，其特征在于：
所述转换元件被配置为具有：作为下部电极形成在所述基片上的第一金属薄膜层；形成在所述第一金属薄膜层上并由非晶氮化硅构成的用于阻止电子和正空穴通过的绝缘层；形成在绝缘层上并由非晶氢化硅构成的光电转换层；形成在光电转换层上以阻止正空穴注入的N型注入阻止层；和作为上部电极在注入阻止层上或在注入阻止层的一部分上形成的第二金属薄膜层上形成的透明导电层，
在刷新模式中，沿从所述光电转换层朝所述第二金属薄膜层引导正空穴的方向，对所述转换元件提供电场，
在光电转换模式中，对所述转换元件提供电场以使通过放射线入射在所述光电转换层产生的正空穴停留在光电转换层中并朝第二金属薄膜层引导电子，并且
在所述光电转换模式中在所述光电转换层中累积的所述正空穴、或朝所述第二金属薄膜层引导的所述电子被检测作为光信号。
8、根据权利要求1的放射线图像拾取装置，其特征在于：
其还具有用于转换所述放射线的波长的波长转换器。
9、根据权利要求8的放射线图像拾取装置，其特征在于：
所述波长转换器具有Gd2O2S、Gd2O3和CsI之一作为其主成分。
10、一种放射线图像拾取方法，用于放射线图像拾取装置，所述放射线图像拾取装置具有放射线检测电路部分和用于驱动所述放射线检测电路部分的驱动电路部分，在放射线检测电路部分中的像素设置有：用于将入射放射线转换为电信号的MIS型转换元件；用于读出电信号的源极跟随器型第一场效应晶体管；设置用于从所述第一场效应晶体管读出所述转换元件中所选择的转换元件的电信号的第二场效应晶体管；和设置用于复位或刷新所述转换元件的第三场效应晶体管，其中所述像素被二维排列在基片上，其特征在于：
当所述转换元件的电信号从所述第一场效应晶体管读出时，通过使所述驱动电路部分逐行驱动所述第二场效应晶体管，所述电信号被逐行读出，并且
从中读取已完成的所述转换元件通过所述第三场效应晶体管被逐行复位或刷新。
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