KR101511388B1

KR101511388B1 - 광 감지 어레이 및 그 작동 방법

Info

Publication number: KR101511388B1
Application number: KR20090008447A
Authority: KR
Inventors: 티모시 제이 트레드웰; 그레고리 엔 헤일러
Original assignee: 케어스트림 헬스 인코포레이티드
Priority date: 2008-02-04
Filing date: 2009-02-03
Publication date: 2015-04-10
Also published as: CN101556960A; TWI475884B; EP2086218A3; KR20090085539A; EP2086218A2; TW200935889A; EP2086218B1; US7619197B2; CN101556960B; US20090194672A1; HK1136087A1

Abstract

광 감지 어레이는 복수의 전기적으로 절연된 광센서들을 가지며, 각각의 광센서들은 제 1 단자 및 제 2 단자를 갖고, 각각의 광센서의 단자들 각각은 다른 광센서들의 단자들로부터 절연되어 있으며, 이때 광센서 각자는 입사광 레벨에 응답하여 제 1 및 제 2 단자 간의 전하 차이를 발생시킨다. 광센서 중 하나의 제 1 및 제 2 단자들과 선택적으로 결합한 차동 회로가 있으며, 이는 제 1 및 제 2 단자 간의 전하 차이에 관한 출력 신호를 생성하기 위한 것이다.

Description

광 감지 어레이 및 그 작동 방법{DIGITAL RADIOGRAPHIC IMAGING APPARATUS}

본 발명은 일반적으로는 디지털 방사선 이미징, 더 자세하게는 차동 판독 구성요소들을 사용한 이미징 어레이에 관한 것이다.

통상적인 디지털 방사선(Digital Radiography : DR) 이미징 패널은 행렬의 형태로 나열된, 각각의 센서들의 어레이를 사용한 섬광 매체로부터 이미지 데이터를 받으며, 여기서 각각의 센서는 이미지 데이터의 단일 픽셀을 제공한다. 각각의 픽셀은 일반적으로 광센서 및 스위칭 소자를 포함하며, 종래기술에서 알 수 있듯이, 이들은 평면적 또는 수직적인 방법으로 나열될 수 있다. 기존의 하나의 이미징 구성에서, 앞면은 감광성 요소들의 어레이를 포함하며, 뒷면은 박막 트랜지스터(TFT) 스위치들의 어레이로 구성된다. 이러한 이미징 장치 내에서, 일반적으로 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)이 각각의 픽셀이 필요로 하는 광다이오드와 박막 트랜지스터 스위치를 구성하는데 사용되며, 레이저로 재결정화된 실리콘(laser recrystallized silicon) 및 단결정 실리콘(single-crystal silicon) TFT 스위치들 같은 다결정 반도체가 대신 사용될 수도 있다.

도 1은 복수의 a-Si:H n-i-p 광다이오드(70)들 및 TFT들(71)의 어레이로 구성된 통상적인 형식의 평면 이미져(80)의 한 부분의 개요도를 나타낸다. 게이트 구동기 칩들(82)은 게이트 라인들(83)의 블록들로 연결되며, 판독 칩들(34)은 데이터 라인들(84) 및 바이어스 라인들(85)의 블록들로 연결된다. 전하 증폭기들(86)에는 데이터 라인들로부터 나온 신호들이 입력된다. 전하 증폭기들(86)에서 나온 출력은 아날로그 멀티플렉서(87)에 또는 직접 아날로그-디지털 전환기(ADC)(88)에 입력되며, 원하는 속도로 디지털 이미지를 내보낸다.

도 1의 통상적인 a-Si:H에 기반하는 간접 평면 이미져에서, 입사된 X-선 광자들은 광광자(optical photon)들로 전환되며, 그런 후에 a-Si:H n-i-p 광다이오드들(70) 내의 양공 쌍들로 전환된다. 광다이오드들의 픽셀 전하 용량은 바이어스 전압 및 광다이오드 커패시턴스에 따라 정해진다. 일반적으로는 역방향 바이어스 전압은 바이어스 라인들(85)에 적용되며, 이는 광다이오드들간의 전기장(이하 공핍 영역)을 생성하고, 전하 수집 효율을 높이기 위한 것이다. 영상 신호는 관련된 TFT들(71)이 비전도 상태(“오프(off)")로 유지되는 동안 광다이오드들에 의하여 축적된다. 이는 게이트 라인들(83)을 네가티브 전압으로 유지함에 의해 이루어진다. 어레이은 TFT 게이트 제어 회로를 사용하여 TFT들(71)의 행들을 순차적으로 전도 상태로 전환시킴으로써 판독된다. 포지티브 전압을 이에 상응되는 게이트 라인(83)에 적용함에 의하여 픽셀들의 행이 전도 상태(“온(on)")로 전환될 때, 그러 한 픽셀에서 나오는 전하는 데이터 라인들(84)을 따라 전송되며, 외부 전하 민감형 증폭기(86)에 의하여 합쳐진다. 그 후 이 행은 비전도 상태로 다시 전환되며, 이 과정은 어레이 전체가 판독될 때까지 각각의 행에 대하여 반복된다. 외부 전하 민감형 증폭기들(86)로부터의 신호 출력들은 병렬-직렬 멀티플렉서(87)에 의하여 아날로그-디지털 전환기(ADC)(88)로 전송되며, 이에 따라 디지털 영상을 만든다.

도 1을 참조하며 서술된 바 있는 이미징 어레이를 갖는 평면 이미져는 단발(방사선) 및 연속(투시조영식) 영상획득 모두가 가능하다. 그러나, 통상적인 회로 구조의 전하 증폭기들은 공통 모드 잡음 및 이 외의 여러 문제점들의 영향을 받기 쉬우며, 이로 인해 신호 품질이 떨어진다.

또한 종래기술에서 알려진 것은 디지털 방사선 이미징 패널들로, 비정질 셀레늄(a-Se) 같은 X-선 흡수형 광컨덕터 및 판독 회로를 포함하는 픽셀들의 어레이를 사용한다. X-선들이 광컨덕터 내로 흡수되므로, 별도의 섬광막은 필요 없게 된다.

이러한 통상적인 이미징 어레이들은 성능에 영향을 끼치는 한계들을 가진다. 예컨대 MIS 광센서를 적용한 디지털 방사선 어레이들의 한계 중 하나는 게이트 유전체의 커패시턴스와 반도체의 커패시턴스간의 전하의 용량적 분할(capacitive division)에 의한 양자 효율의 감소이다. 통상적인 MIS 광센서 구조들은 당업자에게 잘 알려져 있으며, 따라서 여기에 자세하게 적지 않을 것이다. 편의상, MIS 광센서에서의 등가 회로는 도 2a에 나타냈다. 이 회로는 다음의 수식으로 알 수 있는 절연체의 커패시턴스로 구성되며,

이 때

는 절연체의 유전체 상수이며,

는 절연체의 두께이다.

이어서 반도체의 커패시턴스는 다음과 같다.

이 때

는반도체의 유전체 상수이며

는 반도체의 두께이다. 반도체에서의 전하의 열생성 및 반도체에서의 전하의 광생성은 반도체 커패시턴스와 함께 전류 소스들처럼 작동한다. MIS 광센서의 작동에서, 반도체와 맞닿은 공통 바이어스 전극 및 절연체와 맞닿은 픽셀 전극의 사이에 역방향 바이어스가 적용된다. MIS 광센서의 반도체가 진성의 반도체 층을 덮는 N-타입 도핑층으로 구성될 때, 반도체와 맞닿은 부분은 포지티브 바이어스될 것이며, 절연체에 맞닿은 전극은 네가티브 바이어스될 것이다.

반도체 밴드갭을 넘는 에너지 레벨을 갖는 광선으로의 노출은 흡수된 광자마다 하나의 정공 쌍을 만들어 내며, 광센서 단자들 사이의 전하 차이를 생성한다. 인가된 바이어스에 기인한 반도체에서의 전기장 때문에, 정공들이 반도체 및 절연체 사이의 인터페이스로 흘러가는 동안, 전자들은 N+ 반도체를 통하여 바이어스 라인으로 흘러간다. 게이트 유전체와 맞닿은 전극 상의 미러 전하는 실리콘 절연체에서의 정공들의 수보다 적으며, 이는 절연체 커패시턴스

및 반도체 커패시턴스

간의 용량적 분할에 기인한 것이다. 도 2a의 광전류,

는 절연체 커 패시턴스

에 걸쳐 전하 분리의 결과를 낳아 정공들은 절연체 및 반도체의 사이의 인터페이스에, 전자들은 최상부 전극에 있게 된다. 편의상, 이러한 전하의 축소는 전하 전송 효율 또는 CTE라 불리며, 이는 다음과 같다.

절연체와 맞닿은 전극에 모인 전자들의 수를 입사 광자의 수로 나눈 것으로 정의되는 양자 효율은, CTE만큼 줄어들게 된다.

여기서

는 투명 전극(일반적으로 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide))의 광전송이고,

는 반도체(일반적으로 비정질 실리콘)의 광흡수 계수이며,

및

는 각각 도핑층(일반적으로 n-도핑된 비정질 실리콘) 및 진성층의 두께이고, CE는 진성층에서의 전하 수집 효율이다.

도 2b는 비정질 실리콘 반도체 및 실리콘 질화물 절연체의 특정 경우에 대하여, 반도체 및 절연체 두께들의 함수로 전하 전송 효율을 나타낸 것이다. MIS 광센서를 적용한 기존의 디지털 방사선 검출기들에서 사용된 전형적인 값들을 적용 시, 전하 전송 효율은 50%-75% 정도로 낮다. 이는 기존의 장치들의 단점이다.

낮은 양자 효율 뿐만 아니라, 기존의 장치들은 잡음 소스들의 영향을 받으며, 이는 적어도 게이트 라인 스위칭에서 발생되는 공통 모드 잡음, 전력 서플라이 잡음과 리플 및 전자기적 간섭(EMI) 픽업을 포함한다.

도 3a는 종래 기술에 의한 개요도로 MIS 광센서를 사용하는 1-트랜지스터 수동 픽셀 구조의 박막 트랜지스터 어레이를 나타내며, 도 3b는 종래 기술에 의한 개요도로 PIN 광센서를 사용하는 1-트랜지스터 수동 픽셀 구조의 박막 트랜지스터 어레이를 나타낸다. 이러한 두 가지 구조들의 작동에서, 픽셀은 광센서에 걸쳐 역방향 바이어스를 걸어 리셋된다. 이는 전하 증폭기 리셋 스위치를 닫고, 행선택(row select) TFT들을 킴으로서 이루어진다. 그런 다음은 광센서의 양극이 Vbias로 설정되며, 광센서의 음극은 Vref로 설정된다. 역방향 바이어스 조건은 Vref>Vbias이다. 일단 픽셀이 리셋되면, 행선택 TFT는 꺼지며 장치는 절연된다. 신호 검출 시, 전자 정공 쌍들이 생성되며 광센서 단자들 간의 전하 차이를 만들어내고, 전기장에 의하여 접촉부로 흘러가게 된다. 이러한 캐리어들은 단자에 남아있는 전하를 제거하여, 다이오드에 걸린 바이어스를 효과적으로 줄인다. 판독 단계 동안, 초기의 역방향 바이어스 조건을 복구하기 위해 필요한 양전하의 양이 전하 증폭기의 사용을 통하여 측정된다. 그런 후, 이러한 전하 차이에 대응하는 아날로그 출력 신호가, 사용된 신호 처리 기술에 따라, 직접적으로 또는 간접적으로 변환되어 디지털 값들을 제공하게 된다.

도 3c는 도 3a 및 3b의 회로들 상의 게이트 라인들과 데이터 라인들 사이의 용량적 결합을 나타낸다. 이러한 오버랩 커패시턴스들은, 박막 행선택 트랜지스터들의 소스들과 이러한 트랜지스터들의 게이트들 사이의 커패시턴스들 뿐만 아니라, 게이트 라인 및 데이터 라인의 물리적 오버랩들을 포함한다. 게이트 라인 클럭 상의 임의의 잡음이나 리플은, 게이트 라인을 데이터 라인 오버랩 커패시턴스에 합한 값의 데이터 라인의 총 커패시턴스에 대한 비율로, 데이터 라인 상에 영향을 끼친다.

이 때

는 게이트 라인들 상의 잡음 전압인

에 기인한, 데이터 라인 상에서 나타난 전압 잡음이며,

는 영상 센서상의 행들의 수이고,

는 하나의 행선택 라인 및 하나의 데이터 라인 사이의 오버랩 커패시턴스이며,

는 전체 데이터 라인 커패시턴스이다. 전하 증폭기에 의하여 감지되는 상응하는 잡음 전하

는 다음과 같다.

통상적인 종래 기술의 영상 센서에서는, 총 오버랩 커패시턴스

가 일반적으로 데이터 라인 커패시턴스의 절반 또는 그 이상이다. 예를 들면 전력 서플라이 잡음 또는 클록 구동기 잡음으로부터 나오는 게이트 라인상의 잡음 전압이 10mV일 때, 데이터 라인 상의 잡음 잡음 전압은 5mV가 되며, 이는 흉부 방사선 사진술, 유방 촬영술, 투시조영장치 같은 디지털 방사선 응용들을 위한 진단 흥미 영역의 신호 범위 내에 속한다.

디지털 방사선 감지를 위한 종래의 박막 트랜지스터 어레이들의 대부분에서, 총 데이터 라인 커패시턴스에 대한 오버랩 커패시턴스의 비율은 일반적으로 0.5에서 0.9 사이였으며, 이는 오버랩 커패시턴스가 데이터 라인 커패시턴스의 대부분을 구성하기 때문이다. 게이트 라인 전력 서플라이들에서의 잡음 또는 리플의 소스들은 스위칭 전력 서플라이들, 전력 서플라이 바이어스 라인들 상의 전자 픽업에서 나오는 잡음, 행선택 클록 펄스를 생성하기 위해 사용되는 집적회로의 회로 잡음을 포함한다. 이러한 잡음이 보통 일시적으로 어레이 판독 타이밍과의 연관성을 상실하기 때문에, 이는 캘리브레이션으로 제거될 수 없다.

디지털 방사선을 위한 종래 박막 트랜지스터 어레이에서 잡음의 제 2 소스는 데이터 라인 상으로의 게이트 라인 행선택 클록의 피드스루(feedthrough)이다. 판독하는 동안, 행선택은 게이트 라인들의 클러킹에 의하여, 픽셀에 있는 TFT 스위치를 고저항 상태로 유지시키는 “오프(off)" 전압과, 그 행에 있는 픽셀안의 TFT 스위치를 저저항 상태로 바꾸는 “온(on)"전압의 사이에서 순차적으로 실행된다. 비정질 실리콘 또는 다결정 실리콘 박막 트랜지스터를 위하여, 이 전압은 보통 20V이거나 더 높다. 피드스루 전압은 대략 다음과 같다.

그리고 피드스루 전하

는 대략 다음과 같다.

여기서

는 행선택 라인 상의 전압 스윙이며,

는 행선택 라인(게이트 라인) 및 데이터 라인 사이의 오버랩 커패시턴스이며,

는 총 데이터 라인 커패시턴스이다. 디지털 방사선의 응용에 사용되는 박막 TFT 어레이들에서, 오버랩 커패시턴스가 일반적으로 총 데이터 라인 커패시턴스의 절반 또는 그 이상이기 때문에, 결과적인 피드스루 전압은 신호 전하에 비하여 중요하게 된다. 2000개의 행을 갖는 전형적인 종래의 방사선 배열에 있어, 20V 클럭 펄스로부터의 피드스루 전압은 ~10mV이며, 이는 대부분의 방사선 응용에 대한 진단 흥미 영역 내의 신호레벨에 대응한다. 이러한 결합은 후에 장치가 꺼진 때에 반대로 완전히 반전되지는 않아, 이러한 오프셋을 위한 보정을 잠재적으로 어렵게 만든다.

디지털 방사선를 위한 종래 박막 트랜지스터 어레이들에서의 잡음의 세 번째 소스는 데이터 라인들 상의 전자 픽업(electro-magnetic pick-up)이다. 방사선 이미징 응용에 있어서, 어레이의 차원은 길이가 12인치에서 17인치 사이이며, 12인치에서 17인치정도로 긴 데이터 라인들은 부유 전자기장(stray electromagnetic fields)에서 신호를 픽업하는 안테나 같은 역할을 한다. 이러한 부유 전자기장은 방사선 이미징 어레이를 지지하며 일반적으로 어레이에 근접한 회로판들로부터 나온 전자파 방사, 방사선 이미징 패널과 결합하여 사용되는 X-선 생성기로부터의 전자기장, 전력선, 고주파 통신, 방사선 이미징 시스템의 근방에서 작동하는 장치등에서 나오는 전자기장, 그 외의 패널 외측의 전자기장 소스들에 의한 것이다.

이러한 어려움들을 볼 때, 잡음과 관련된 문제들을 최소화하거나 없애는 판독 회로 해결방안이 강점을 갖는 것이 명백하며, 이는 특히 낮은 방사 레벨을 사용하는 시스템에서 그러하다.

기존의 박막 트랜지스터 영상 감지 어레이들의 제 2 부류는 능동 픽셀 이미징 어레이이라 불리며, 각 픽셀 안에서 증폭기들을 사용한다. MIS 광센서들, PIN 광다이오드들, 또는 다른 광센서들 중 어떤 것을 사용하느냐와 무관하게, 이러한 능동 픽셀 이미징 어레이들 역시 위에서 수동 픽셀 어레이에 대하여 기술한 것과 같은 어려움을 갖게 된다.

따라서 현존하는 장치들은 상대적으로 전반적인 양자 효율이 낮으며, 잡음 소스들의 영향을 받고, 잡음 소스들이란 게이트 라인 스위칭에 의한 공통 모드 잡음, 전력 서플라이 잡음과 리플, 전자기적 간섭(EMI) 픽업을 포함한다. 현존하는 패널들은 방사 레벨이 1.0mR정도로 높은 경우조차도 제한된 양자 성능을 얻지 못한다. 번지 스위칭 TFT가 꺼진 경우, 채널 커패시턴스를 통한 결합에 의하여 신호 잡음에서 큰 오프셋(예컨대, 200mV 또는 그 이상의 오프셋)이 있을 수 있다. 이 결합은 차후 장치가 켜진 때에도 반전되지 않으며, 이러한 오프셋을 위한 보정을 잠재적으로 어렵게 만든다. 17인치를 넘기도 하는 긴 데이터 라인들은 그 특성상 EMI를 위한 안테나 구조를 구성한다. 이는 접지 기술에 의해서도 쉽게 보완되지 않는다. EMI 차폐의 추가는 몇몇 유용한 효과를 가지지만, 비용이 많이 들어가며 무게가 늘어나게 된다. 게이트 라인 전압 잡음은 오버랩 커패시턴스의 트레이스에 의하여 데이터 라인들에 영향을 미치며, 따라서 TFT 게이트-드레인(gate-to-drain) 커패시턴스는 데이터 라인들 상에서 효과적으로 나타난다.

따라서 이러한 어려움들을 볼 때, 특히 상대적으로 낮은 방사 레벨을 사용하는 시스템에서는, 잡음과 관련된 문제들을 최소화하거나 없애는 판독 회로 해결방안이 강점을 갖는다.

본 발명의 일 면에 따르면, 전기적으로 절연된 복수의 광센서들 및 차동 회로를 가지는 광 감지 어레이를 제공함으로써, 앞서 말한 종래기술의 단점들을 개선한다. 각각의 광센서는 제 1 단자 및 제 2 단자를 가지며, 각각의 단자는 다른 광센서들의 단자들로부터 절연되어 있다. 각각의 광센서는 입사광 레벨에 응답하여 제 1 및 제 2 단자 간의 전하 차이를 생성한다. 차동 회로는 광센서들 중 하나의 제 1 및 제 2 단자와 선택적으로 결합되며, 제 1 및 제 2 단자 사이의 전하 차이에 의한 출력 신호를 생성한다.
일 양상에서, 광 감지 어레이는 각각의 광센서에 상응하는 전하 판독 회로를 더 포함할 수 있다. 전하 판독 회로는, 제 1 단자를 제 1 데이터 라인에 연결함으로써 스캔 신호에 응답하는 제 1 스위칭 소자와, 제 2 단자를 제 2 데이터 라인에 연결함으로써 스캔 신호에 응답하는 제 2 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
다른 양상에서, 광 감지 어레이는 제 1 데이터 라인과 제 2 데이터 라인 중 적어도 하나와 전기용량 면에서 결합한(capacitively coupled) 스캔 라인을 더 포함할 수 있다.
다른 양상에서, 광 감지 어레이는 제 1 데이터 라인 및 제 2 데이터 라인과 전기용량 면에서 결합한 제 1 및 제 2 스캔 라인을 더 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 스캔 라인 상의 신호는, 차동 판독이 제 1 데이터 라인 및 제 2 데이터 라인의 출력으로부터의 스위칭 신호를 실질적으로 제거하는 것과 실질적으로 같은 방식으로, 데이터 라인들과 결합될 수 있다.

본 발명의 장치는 주어진 영상에서 공통 모드 잡음의 영향을 줄이는 데 도움이 된다.

당업자는 본 발명의 예시적 구현예로서 보여진 도면을 참조하여 후술하는 상세한 설명을 읽으면 본 발명의 이들 및 다른 개체들, 특징들, 장점들을 명백히 알 수 있을 것이다.

본 명세서가 본 발명의 청구 대상을 구체적으로 지시하고 명백하게 청구하는 청구항들을 포함하지만, 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 아래의 설명으로부터 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

구체적으로 도시되거나 기술되지 않은 요소들은 당업자에게 자명한 여러 가지 형태를 가질 수 있다는 점을 이해해야 한다.

위에서 기술한 도 3a의 개요도는 MIS 광센서를 사용한 어레이의 2열 4행 부분을 위한 통상적인 전하 증폭기 구성이며, 도 3b는 PIN 광다이오드를 사용한 어레이의 2열 4행 부분을 위한 통상적인 구성이다. 이러한 구성에는, 일반적으로 전하 증폭기들을 패널과 떨어져 위치하며(off-panel), 플렉시블 커넥터 또는 다른 방법들을 사용하여 연결한다. 이들은 바이어스 전압 및 광다이오드(40) 또는 다른 광센서의 단자와 연결된 스위칭 소자로부터 스위칭된 신호와 연결된다. 광 다이오드(40)의 제 2 단자는 바이어스 전압과 연결될 수 있으며, 제 1 및 제 2 바이어스 전압간의 차이는 게이트 라인이 켜졌을 때 광 다이오드에 걸친 역방향 바이어스이다.

도 3a 및 도 3b와 비교하면, 도 4a는 MIS 광센서 기술을 사용한 본 발명에 기초한 일 실시예에서의 차동 픽셀 어레이 설계의 2x2 부분이며, 도 4b는 PIN 광센서 기술을 사용한 본 발명에 기초한 어레이 설계의 2x2 부분이다. 도 4a 및 도 4b에 표현된 각 픽셀에는 이에 대응하는 광센서(PD)와 두 개의 광센서 단자들을 두 개의 데이터 라인(DL+, DL-)으로 각각 연결하는 스위치들(M1, M2)이 있다. 선들(GL1, GL2)은 각각 제 1 및 제 2 행을 위한 게이트 라인이며, 각각의 게이트 라인들은 그 행에 어레이된 픽셀들 각각과 연결된 스위치들(M1, M2)을 제어한다. 도 4a에 나타난 실시예에서, 차동 데이터 라인들(DL+, DL-)은 각각의 전하 증폭기(CA+, CA-)에서 끝나며, 각각의 전하 증폭기는 독자적 피드백 커패시터 및 독자적 리셋 스위치(S+, S-)를 갖는다. 바이어스 전압

은 두 전하 증폭기들의 제 2 단자들 사이에 적용된다.

도 4c에서 보인 타이밍 다이어그램을 참조하면 도 4a 및 4b의 어레이를 구동하는 방법 중 하나를 이해할 수 있다. 방사능에의 노출에 앞서, 행선택 라인들 각각은 순차적으로 어드레스된다. 선택된 행의 게이트 라인은 그 행의 모든 픽셀의 박막 트랜지스터 스위치들(M1, M2)을 켠다. 그 후 리셋 스위치들(S+, S-)이 켜지며, 이에 의하여 전하 증폭기들의 출력간의 바이어스 전압이 데이터 라인들(DL+, DL-)간의 전압 차이, 나아가 선택된 행의 광센서들의 두 단자간의 전압 차이에 반영(mirror)되게 된다. 광다이오드 단자간의 전압 차이가

로 되기에 필요로 하는 충분한 시간이 지나면, 리셋 스위치들(S+, S-)을 꺼도 되며, 행선택 라인도 꺼질 수 있다. 일단 모든 행선택 라인들이 순차적으로 이네이블되면, 센서는 리셋되며 노출에 대한 준비를 마치게 된다. 그리고 나서 펄스 X-선 발생장치에 의한 X-선 노출이나 셔터로 조절하는 광선 노출등으로 이미져를 노출시킨다.

노출하는 동안, 행선택 게이트들은 오프상태여서 광센서의 두 단자들을 모두 격리시킨다. MIS 광센서에서, 광다이오드의 전계(electric field)의 흐름에 따라, 광선이나 방사능 노출에 의해 발생된 전자들은 광다이오드의 엔마이너스사이드(n-side)로 흘러가며, 정공들은 피마이너스사이드(p-side)로 흘러간다. 픽셀 각각에 서의 격리된 광다이오드들 사이의 전압은, 광다이오드 커패시턴스에 의해 나뉜 광생성된 전하와 같은 양만큼 원래의 바이어스 전압보다 낮아진다. 노출 후, 신호 전하는 행선택 라인들을 순차적으로 클로킹(clocking)함에 의하여 판독된다. 광센서의 엔플러스사이드(n+side)상의 신호는 하나의 전하 증폭기 데이터 경로를 통해서 판독되고, 반도체 절연체의 신호는 다른 전하 증폭기 데이터 경로를 통해서 판독된다. 이 두 개의 신호들이 결합하여 출력 신호가 된다. 이 구성에 의하여, 전체 광생성 신호가 측정되며, 따라서 전하 전송 효율은 1에 가까워진다. 이는 전하 전송 효율이 1보다 눈에 띄게 낮은 종래 기술에 비하여 눈에 띄게 향상된 것이다. 신호 전하의 감지를 마친 후, 전하 증폭기 내의 리셋 스위치들(S+, S-)을 켤 수 있으며, 따라서 광센서를 리셋하도록

를 조정할 수 있게 된다.

PIN 광센서가 포함된 때(도 4b)에도, 작동 타이밍은 비슷하다. 그러나 노출하는 동안, 광생성 전하가 현존하는 단자 전하와 재결합하여 다이오드 사이의 바이어스를 줄인다. 판독하는 동안, 광센서 상의 바이어스를 복구시키기 위한 양전하의 양 즉,

의 적분값이 CA1에 의하여 측정되며, 음전하의 양 즉,

의 적분값은 CA2에 의하여 측정된다. 이러한 전하 감지 증폭기의 출력은 기존의 아날로그 신호 레벨의 두 배의 아날로그 신호를 산출하는 차동 증폭기에 입력된다. 통상적인 시스템들은 두 신호 모두가 아닌 한 가지만 판독한다. 신호 레벨이 증가된 이러한 이중 샘플링은 회로의 신호 대 잡음(signal-to-noise) 성능 을 향상시키는데 기여한다. 전하 감지를 마친 후, 전하 증폭기 리셋 스위치들(S+, S-)을 게이트 라인들에 따라 켤 수 있으며, 따라서 광센서를 리셋 조건으로 유지할 수 있게 된다.

도 4d의 타이밍 다이어그램은 4a 및 4b의 어레이를 구동하는 제 두 번째 방법을 나타낸다. 이 “비디오 판독(video readout)" 작동 방법에서, 어레이는 노출의 타이밍과 상관없이 연속적으로 작동된다. 프레임의 시작(start-of-frame) 클록은 어레이의 정보 판독을 개시한다. 게이트 라인들은 순차적으로 클록되며, 신호는 차동 전하 증폭기에 의하여 상술한 단일-노출 모드에서 기술한 바와 같이 행들의 끝에서 감지된다. 프레임 판독을 마친 후, 프레임의 시작 클록은 어레이의 새로운 정보 판독을 개시한다. 노출은 연속적일 수도 있으나, 정보 판독의 종료와 다음 프레임의 시작 사이에 실행되도록 조절될 수도 있다.

도 4e의 타이밍 다이어그램은 도 4a 및 4b의 어레이를 구동하는 세 번째 방법을 나타낸다. 이 “글로벌 리셋(global reset)" 작동 방법에서, 어레이 상의 모든 행은 노출에 앞서 순차적으로 리셋된다. 도 4e의 타이밍 다이어그램에서, 모든 게이트 라인들은 온(on)상태로, 이는 열의 모든 광센서들의 두 개의 단자들과 각 열의 두 데이터 라인들을 연결한다. 데이터 라인들(DL+, DL-)을 위한 전하 증폭기 내의 스위치들(S+, S-) 또한 노출에 앞서 온(on)상태를 유지하며, 데이터 라인들(DL+, DL-)간의 전압 차이를

와 같도록 유지하고 있다. 이 글로벌 리셋은 노출에 앞서 모든 픽셀의 완전한 리셋을 보장하며, 노출에 앞서 광센서 내에 열생성된 전하(thermally generated charge)가 축적되는 것을 방지한다. 노출의 시작에 앞서, 모든 게이트 라인들은 오프(off)되며, 게이트 라인들은 광생성 전하가 노출 중에 광센서 상에서 통합되도록 허용한다. 정보의 판독은 제 1 작동 방법에서 기술한 것처럼 수행된다.

도 4f의 타이밍 다이어그램은 네 번째 작동방법을 나타낸다. 이 “노출 검출(exposure detection)" 작동 방법은 노출의 시작의 검출을 허용하며, 이에 따라 어레이는 노출-검출 모드(exposure-detection mode)에서 집적 모드(integration mode)로 전환된다. 이 작동 방법에서, 글로벌 리셋은 모든 전하 증폭기들의 스위치들(S+, S-)이 켜진 때, 행선택 라인 전부가 순차적으로 온(on)상태가 되며 실행된다. 이는 모든 광센서들의 단자들 간의 전압 차이를

로 리셋한다. 광센서 상의 바이어스 전압이 안정(settle)된 후, 모든 전하 증폭기들의 스위치들(S+, S-)은 꺼져, 이들은 신호 통합을 허용한다. 모든 행선택 게이트들이 켜지기 때문에, 한 열의 모든 광다이오드들은 그 열의 데이터 라인들과 연결된다. 그 열의 임의의 광센서의 노출은 전하 증폭기상의 신호 출력을 증가시키는 결과를 낳는다. 노출을 시작할 때의 상기 신호의 검출은, 모든 행선택 라인을 오프로 하여 각각의 광센서가 광생성 전하를 통합하도록 함으로써, 어레이를 신호 집적 모드(signal integration mode)로 전환하는데 사용될 수 있다. 노출을 마친 후, 어레이는 제 1 작동 방법에서 기술한 것처럼 판독 가능하다. 이 작동 방법은 특히 X-선원이 X-선 검출기에 연결되지 않는 방사선 응용에서 주목되며, 이런 경우 검출 기 내부에 노출의 시작을 감지하는 능력이 없다면 노출의 시작을 알 수 없기 때문이다.

도 4g는 다섯 번째 작동 방법을 나타낸다. 이 “바이닝(binning)" 작동 방법은 공간해상도(spatial resolution)에 대한 높은 신호 레벨을 허용한다. 이 신호 판독 방법에서, 둘 이상의 인접한 행들은 일제히 어드레스되며, 둘 이상의 인접한 광다이오드의 단자들을 각 열의 각각의 데이터 라인들에 연결한다. 두 겹의 바이닝(2-fold binning)의 경우를 위하여 도 4g를 참조하면, 행선택 라인들(GL1, GL2)은 동시에 어드레스되며, 다음 순서의 행선택 라인 쌍이 뒤따르게 된다. 광다이오드 쌍 각각의 총 전하는 각각의 데이터 라인의 끝의 전하 증폭기에 의해서 감지된다. 이 작동 방법은 투시조영장치(flouroscopy)같은 저노출 양식(low exposure modality)의 경우 특히 유용하다.

여섯 번째 작동 방법은 도 4h에 나타나 있다. 이 “흥미 영역(region of interest)" 작동 방법은 어레이에서 픽셀들의 선택된 부분 집합의 판독을 허용한다. 도 4h를 참조하면, 글로벌 리셋은 상술한 바와 같이 실행된다. 이는 어레이에서의 모든 광센서들의 단자들간의 전압들을

로 리셋한다. 글로벌 리셋을 마친 후, 센서는 노출된다. 판독은 흥미 영역 내의 행선택 라인들만을 순차적으로 클로킹하는 것으로 시작된다. 도 4h를 참조하면, 이 흥미 영역은 m 행과 p 행 사이에 있다. 이 작동 방법은 판독 시간을 줄인다. 다른 리셋 방식( 도 4c를 참조하며 논의했던 스크롤링 리셋 등) 또는 다른 프레임 작동 모드들(도 4d를 참조 하며 논의했던 비디오 작동 모드 등)은 이 흥미 영역 판독 방법과 결합 가능하다는 점을 알 수 있을 것이다.

차동 픽셀 구조의 한 가지 장점은 데이터 라인 상의 공통 모드 피드스루와 잡음의 억제다. 이 장점은 도 4i를 참조하여 알 수 있으며, 도 4i에 각 픽셀에서의 게이트 라인들과 두 차동 데이터 라인들 간의 커패시턴스가 나타나 있다. 잡음 피드스루와 클록 피드스루의 여러 소스들은 앞서 기술한 바 있다. 이들 중 첫 번째는 행선택 라인 전압들 상의 리플(ripple) 또는 잡음의 피드스루였다. 종래 기술상의 센서들에서, 전원 서플라이 리플(ripple)같은 행선택 라인들 상의 잡음에 의하여 데이터 라인 상에 도입되는 전하는 다음과 같게 주어진다.

도 4b를 참조하면, 차동 판독 센서에서 이 동일한 잡음 피드스루는 두 데이터 라인들(DL+, DL-) 모두에 나타나며, 데이터 라인들(DL+, DL-)상의 오버랩 커패시턴스들의 합들이 같아지도록 한다. 아날로그 도메인 또는 디지털 도메인의 어느 쪽이든 데이터 라인들(DL+, DL-)에 대응하는 두 개의 전하 증폭기들의 출력 신호들이 감해지므로, 나머지 신호는 행선택 라인들과 두 개의 데이터 라인들의 총 오버랩 커패시턴스들의 차이에만 의존하게 된다.

두 개의 데이터 라인들이 리소그래픽적으로 정의되며, 동일한 층간 절연막(inter-metal dielectric)을 사용하고, 서로가 밀착되어 있으므로, 커패시턴스 들은 그 차이가 1%보다 적을 것으로 예상되고, 따라서 피드스루 잡음 전하는 백분의 일로 줄어든다.

게이트 라인에서 데이터 라인으로의 피드스루의 제 2 소스는 데이트선으로의 게이트 라인 클록 전압의 피드스루이다. 위에서 기술한 바와 같이, 이는 종래 기술의 센서들에 의하면 대략 다음과 같으며

그리고 피드스루 전하

는 대략 다음과 같고

이 때,

는 행선택 라인 상의 전압 스윙이며,

는 행선택 라인(게이트 라인)과 데이터 라인 사이의 오버랩 커패시턴스이고,

는 총 데이터 라인 커패시턴스이다. 도 4b의 절연된 광다이오드를 수반하는 차동 픽셀 센서를 위하여, 데이터 라인들(DL+, DL-)은 오버랩 커패시턴스들이 동일한 범위 내에서 동일한 전하 피드스루를 받는다. 데이터 라인들(DL+, DL-)에 대응하는, 두 개의 전하 증폭기들에서 나온 출력 신호들 아날로그 도메인 또는 디지털 도메인의 어느 쪽이든 감해지기 때문에, 나머지 신호는 행선택 라인과 두 개의 데이터 라인들 사이의 총 오버랩 커패시턴스들의 차이에만 의존하게 된다.

행선택 라인과 두 개의 데이터 라인들이 포토리소그래피적으 로(photolithographically) 놓이며, 동일한 층간 절연막을 가지고 서로 밀착되어 있기 때문에, 그들의 커패시턴스는 일반적으로 5%보다 적은 차이만 갖게 되며, 차이는 데이터 라인이나 행선택 라인에서의 국부적 선의 폭 변화에 따라 발생된다. 따라서 절연된 광다이오드를 수반하는 차동 픽셀 센서는 적어도 20분의 1로 행선택 클록 피드스루를 줄일 것으로 예상된다.

종래의 디지털 X-선 촬영을 위한 박막 트랜지스터 어레이 기술에서 논의된 잡음의 세 번째 소스는 데이터 라인 상의 전자 픽업(electro-magnetic pick-up)이다. 도 4a를 참조하면, 두 개의 데이터 라인들은 매우 가깝게 놓여있으며, 그로 인해 방사선 패널 엔클로져로 내부 및 외부의 소스들로부터 거의 같은 전자기장에 노출된다. 이러한 소스들은 엔클로져 내부에는 인쇄 배선 기판, 배선 설비들, RF 통신 인터페이스들을, 외부에는 전력선들, 장치, 고주파 간섭을 포함한다. 두 개의 데이터 라인들이 전자기적 간섭에 의하여 동일한 전계를 받으며, 동일한 커패시턴스를 가지므로, 두 개의 전하 증폭기의 출력들의 차이에 의한 순 잡음(net noise)은 0일 것이다.

도 5의 횡단면 다이어그램은 MIS 광센서를 수반하는 일 실시예이며, 도 4a의 MIS 커패시터를 수반하는 차동 판독 픽셀의 회로 다이어그램에 대응되는 것이다. 각 트랜지스터(M1, M2)는 전극(180)을 기판(42)상에 패터닝하여 이루어진다. 트랜지스터들(M1, M2)의 후속 층들은 절연체(181), 비정질 실리콘으로 구성된 영역과 같은 비도핑 영역(undoped region)(184), 도핑 영역(doped region)(44), 절연체층(186), 그리고 데이터 라인(188)을 포함한다. 트랜지스터들(M1, M2)을 구성하는 전 부분에 걸쳐 절연체(190)의 층이 있다. MIS 광다이오드(40)는 당업자라면 알 수 있는 통상적인 방법을 이용하여 만든다. MIS 광센서의 하부 단자는 상호 접속부(182a)를 거쳐 제 1 판독 TFT(M1)의 소스와 연결되며, MIS 광센서의 상부 단자는 상호 접속부(182c)를 거쳐 제 2 판독 TFT (M2)의 소스(182b)와 연결된다. 광다이오드는 제 1 및 제 2 판독 TFT들을 제외한 다른 회로 구성요소들과 전기적으로 완전히 절연된다. 예를 들면, PIN 광다이오드를 포함한 다른 광센서들은 유사한 구성으로 적용될 수 있으며, 당업자에게는 다른 구성도 이 명세서의 기재내용에 기하여 자명할 것이다.

도 6은 본 발명에 의한 또 다른 실시예를 보이며, 여기서 영상 센서의 동일한 행 내의 두 개의 근접한 광센서들(40)은 데이터 라인의 동일한 쌍을 공유한다. 광센서 쌍의 각 광센서(40)는 여기서 보인 고체 소자 스위치들을 사용하여 개별적으로 선택된다. 이 실시예에서, 행선택 라인 GL1을 온(on)시키면 제 1 행에 있는 광다이오드의 첫 번째 세트를 데이터 라인들에 연결하고, 행선택 라인 GL2를 키면 제 1 행에 있는 광다이오드의 두 번째 세트를 동일한 데이터 라인들에 연결한다. 이 실시예는 데이터 라인과 전하증폭기의 개수를 반으로 줄인다.

도 7은 능동 픽셀 구조에 대한 본 발명에 따른 대안적인 실시예를 보여준다. 이 실시예에서는, 광센서의 단자의 양쪽 모두 픽셀 증폭기와 연결된다. 도 7을 참조하면, 광센서의 하나의 단자를 위한 증폭기는 증폭기 트랜지스터(M1), 행선택 트랜지스터(M3), 리셋 트랜지스터(M2)를 포함한다. 유사하게, 광센서의 제 2 단자를 위한 증폭기는 증폭기 트랜지스터(M4), 행선택 트랜지스터(M6), 리셋 트랜지스터(M5)를 포함한다. 행선택 트랜지스터(M3)의 단자 중 하나는 첫 번째 데이터 라인과 연결되며, 행선택 트랜지스터(M6)의 터미널 중 하나는 두 번째 데이터 라인과 연결된다. 비슷하게, 리셋 트랜지스터(M2)의 단자 중 하나는 첫 번째 리셋 바이어스 라인과 연결되며, 리셋 트랜지스터(M5)의 터미널 중 하나는 두 번째 리셋 바이어스 라인과 연결된다. 증폭기 트랜지스터(M1, M4)의 드레인(drain)은 도 7에 보인 것처럼, 공통 바이어스 서플라이로 연결될 수 있다. 추가적인 경로 배정의 대가로 보다 개선된 증폭기 정합을 위하여, 증폭기 트랜지스터(M1, M4)의 드레인은 별도의 바이어스 서플라이에 연결될 수도 있다.

도 7에서 보인 구조의 동작은 다음과 같이 이해된다. 신호 축적에 앞서, 광센서의 두 개의 단자들을 각각의 리셋 바이어스 라인에 연결하여 광센서 상의 두 개의 단자들의 전압을 리셋하기 위하여, 리셋 트랜지스터(M2, M5)가 켜진다. 노출되는 동안, 광전류는 광다이오드를 방전하며, 이에 의하여 두 단자간의 전압 차이는 줄어든다. 영상을 판독하기 위하여, 각각의 행선택 게이트가 차례대로 켜지면서 행선택 라인들은 스캔 된다. 게이트 라인으로도 불리는 행선택 라인이 특정 행에서 켜진 때, 행선택 트랜지스터(M3, M6) 모두 동시에 켜져, 증폭기 트랜지스터(M1, M4)들 각각에서 단자 중 하나를 그에 상응하는 각각의 데이터 라인과 커플링 시킨다. 도 7에서 보인 회로 구성에서, 전류는 각각의 데이터 라인 상에서 증폭기 트랜지스터(M1, M4) 상의 게이트 전압에 비례하여 흐른다. 각각의 데이터 라인들의 전하 증폭기는 행선택 트랜지스터가 켜져 있는 기간 동안 합류한다. 따라서 두 개의 전하 증폭기간의 출력 전압의 차이는 두 개의 데이터 라인간의 전류의 차이, 나아가 증폭기 트랜지스터(M1, M4)의 게이트들 상에서의 전압의 차이에 비례하게 된다. 당업자라면, 전류 미러 같은 다른 열 증폭기 설계 역시 데이터 라인 상의 전류 신호를 출력 전압으로 전환하기 위하여 사용 가능하다는 것을 알 수 있을 것이다.

도 8은 도 7의 구조의 또 다른 구성방법을 보여준다. 도 8의 능동 픽셀 구조에서, 동일한 선들이 데이터 라인과 리셋 바이어스 라인들로 사용된다. 리셋 작동이 감지 작동과는 다른 때에 실행되므로, 이 두 작동들 사이에는 경합의 여지가 없다. 도 8에서 보인 구조의 작동은 다음과 같이 이해될 수 있다. 신호 조합에 앞서 광센서의 두 개의 단자를 각각의 데이터 라인들에 연결함으로써 광센서의 두 개의 단자들의 전압을 리셋하기 위하여 리셋 트랜지스터(M2, M5)가 켜진다. 이 기간 동안 열 증폭기 상의 스위치들(S1, S2)은 닫히며, 바이어스들(VDL+, VDL-)은 광센서의 두 개의 단자 상에서 요구되는 바이어스 레벨로 설정된다. 광센서상의 바이어스 레벨이 정해진 후, 리셋 트랜지스터들은 꺼진다. 노출되는 동안, 광전류는 광다이오드를 방전하며, 이로 인하여 두 개의 단자 사이의 전압 차이는 줄어든다. 영상을 판독하기 위하여, 바이어스들(VDL+, VDL-)은 픽셀 증폭기의 작동을 위하여 데이터 라인상에서 필요로 하는 바이어스 레벨로 설정된다. 행선택 라인들은 순차적으로 각각의 행선택 게이트들을 키면서 스캔된다. 게이트 라인이라고도 불리는 행선택 라인이 특정 행에서 켜지면, 행선택 트랜지스터(M3, M6)들 모두는 동시에 켜져, 각각의 증폭기 트랜지스터(M1, M4)의 한 개의 단자는 이에 상응하는 데이터 라인들과 커플링된다. 이 실시예에서, 전류는 각각의 데이터 라인 상에서 증폭기 트랜지스터(M1, M4)의 게이트 전압에 비례하게 흐를 것이다. 각각의 데이터 라인들의 전하 증폭기들은 행선택 트랜지스터가 켜져 있는 기간 동안, 각각의 피드백 커패시터의 전류를 축적한다. 따라서 두 개의 전하 증폭기들의 출력 전압의 차이는 두 개의 데이터 라인들 상의 전류의 차이, 나아가 증폭기 트랜지스터(M1, M4)의 게이트들 상의 전압의 차이에 비례하게 된다. 당업자라면 데이터 라인상의 전류 신호를 출력 저압으로 전환하기 위하여 전류 미러 같은 다른 열 증폭기 설계를 사용할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

당업자라면, 기본 3-트랜지스터 픽셀 증폭기를 다른 픽셀 증폭기 회로 설계로 대체할 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 예컨대, 기존의 픽셀 증폭기 중 몇몇은 3개의 트랜지스터가 아닌 4개의 트랜지스터들을 사용한다. 네 번째 트랜지스터는 광다이오드의 한 단자와 증폭기 트랜지스터 사이의 전송 게이트로 사용된다. 이 설계의 변형은 소위 공유 트랜지스터 구조라 불리며, 여기서 4개의 광센서들은 동일한 증폭기 트랜지스터와 행선택 트랜지스터를 공유한다. 이 설계에서 4개의 광센서를 위한 전송 게이트 트랜지스터들은 각각의 광센서들을 하나씩 단일 증폭기 트랜지스터와 순차적으로 커플링 시키기 위하여 일렬로 켜진다. 이러한 한층 발달된 구조 역시 앞에서 논의된 바 있는 단일 종단(single-ended) 설계에 의한 단점을 갖는다. 광센서의 두 개의 단자들 각각을 절연된 픽셀 증폭기들에 연결하고, 평행하는 행선택 트랜지스터들을 통하여 절연된 데이터 라인들과 커플링시키면, 앞에서 논의된 바와 같이 이러한 문제점이 완화될 수 있다.

본 발명은 바람직한 일부 실시예들을 참조하여 자세히 서술되었으나, 위에 서술된 그리고 첨부한 청구항에 기재된 바처럼 본 발명의 범주 내에서 당업자에 의하여 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 변경 및 수정이 이루어 질 수 있다. 예컨대, PIN 다이오드처럼 전기적으로 절연된 광센서들 역시 p-n 접합 광다이오드, p-i-n 광다이오드, MOS 광커패시터, MIS 광센서, 광컨덕터등의 몇몇 다른 종류의 구성요소로 바뀔 수 있다. 광센서들 자체도 하나 이상의 비정질 실리콘, 비정질 실리콘 카바이드, 다결정 실리콘, 실리콘-게르마늄, ZnO 같은 금속 산화물 반도체, 유기 반도체 재료, 또는 결정 실리콘 등으로 만들 수 있다. 하나 이상의 스위칭 소자들, 트랜지스터들(M1, M2, M3, M4, M5, M6)은 박막 트랜지스터(TFT)들 또는 이와 유사한 부품이 될 수 있다.

그러므로 여기서 제시하려는 바는, 향상된 영상 신호 품질을 위하여 공통-모드 잡음 검출에 유용한 차동 판독 구성요소들을 사용하는 이미징 어레이 이다.

도 1은 통상적인 평면 이미져를 보여주는 개요도.

도 2a는 MIS 광센서를 위한 등가 회로를 도시한 도면.

도 2b는 비정질 실리콘 반도체 및 비정질 질화물 절연체를 사용한 특정 경우의, 반도체 및 절연체 두께들의 함수로 표현한 전하 전송 효율을 나타낸 도면.

도 3a는 MIS 광센서를 수반하는 1-트랜지스터 수동 픽셀 구조를 갖는 기존의 박막 트랜지스터의 개요도를 나타낸 도면.

도 3b는 PIN 광센서를 수반하는 1-트랜지스터 수동 픽셀 구조를 갖는 기존의 박막 트랜지스터의 개요도를 나타낸 도면.

도 3c는 도 3a 및 3b의 회로들 내에서 게이트 라인들과 데이터 라인들 사이의 용량성 결합을 나타낸 도면.

도 4a는 MIS 광센서를 수반하는 차동 픽셀 어레이 구조 및 차동 전하 증폭기들의 2x2 부분을 나타낸 도면.

도 4b는 광다이오드를 수반하는 차동 픽셀 어레이 구조 및 차동 전하 증폭기들의 2x2 부분을 나타낸 도면.

도 4c는 도 4a 및 도 4b의 어레이들의 타이밍 다이어그램을 나타낸 도면.

도 4d는 교대 판독 모드에서의 도 4a 및 4b의 다른 타이밍 다이어그램을 나타낸 도면.

도 4e는 교대 판독 모드에서의 도 4a 및 4b의 다른 타이밍 다이어그램을 나타낸 도면.

도 4f는 교대 판독 모드에서의 도 4a 및 4b의 또 다른 타이밍 다이어그램을 나타낸 도면.

도 4g는 교대 판독 모드에서의 도 4a 및 4b의 또 다른 타이밍 다이어그램을 나타낸 도면.

도 4h는 교대 판독 모드에서의 도 4a 및 4b의 또 다른 타이밍 다이어그램을 나타낸 도면.

도 4i는 교대 판독 모드에서의 도 4a 및 4b의 또 다른 타이밍 다이어그램을 나타낸 도면.

도 5는 본 발명의 일 실시예의 횡단면도.

도 6은 영상 센서의 동일한 행에서 두 개의 근접한 광센서들이 동일 쌍의 데이터 라인들을 공유하는 일 실시예의 개요도.

도 7은 동일한 선들이 데이터 라인들 및 리셋 바이어스 선들에 사용되는 능동 픽셀 구조를 위한 일 실시예를 나타내는 개요도.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10. 픽셀 34. 판독 칩

40. PIN 광다이오드 42. 절연체

44, 45. 도핑된 영역 70. 광다이오드

71. TFT 스위치 80. 평면 이미져

81. 센서 어레이 82. 구동기 칩

83. 게이트 라인들 84. 데이터 라인들

85. 바이어스 라인들 86. 증폭기

87. 멀티플렉서 88. A-D 전환기

180. 전극 181, 186, 190. 절연체

182a, 182b, 182c. 상호 접속부 188. 데이터 라인

AMP2, AMP3, AMP4, AMP5. 증폭기 DL+, DL-. 데이터 라인

GL1, GL2. 라인 M1, M2, M3, M4, M5, M6. 스위칭 소자

PD. 광센서 SCAN1, SCAN2, 리셋. 신호

Claims

광 감지 어레이로서,

전기적으로 절연된 복수의 광센서들과,

차동 증폭기 회로를 포함하되,

각각의 광센서는,

제 1 단자 및 제 2 단자와,

상기 제 1 단자에 연결되는 제 1 리셋 스위치 - 상기 제 1 리셋 스위치는 상기 광 감지 어레이가 리셋될 때 상기 제 1 단자를 제 1 바이어스 전압 소스로 연결하고, 상기 제 1 리셋 스위치는 상기 광 감지 어레이가 노출될 때 상기 제 1 단자를 상기 제 1 바이어스 전압 소스로부터 연결해제함 - 와,

상기 제 2 단자에 연결되는 제 2 리셋 스위치 - 상기 제 2 리셋 스위치는 상기 광 감지 어레이가 리셋될 때 상기 제 2 단자를 제 2 바이어스 전압 소스로 연결하고, 상기 제 2 리셋 스위치는 상기 광 감지 어레이가 노출될 때 상기 제 2 단자를 상기 제 2 바이어스 전압 소스로부터 연결해제하며, 상기 제 2 바이어스 전압 소스는 상기 제 1 바이어스 전압 소스의 극성과는 반대의 극성을 가짐 - 을 포함하고,

각각의 광센서의 제 1 단자와 제 2 단자의 각 단자는 다른 광센서들의 제 1 단자 및 제 2 단자로부터 전기적으로 절연되어 있으며, 상기 각각의 광센서는 상기 제 1 단자와 상기 제 2 단자 간에 입사광 레벨에 비례하는 전하 차이를 생성함으로써 상기 입사광 레벨에 응답하고,

상기 차동 증폭기 회로는, 상기 복수의 광센서들의 제 1 단자 및 제 2 단자와 선택적으로 결합되어 상기 복수의 광센서들의 각 광센서의 제 1 단자와 제 2 단자 간의 상기 전하 차이와 관련된 출력 신호를 생성하는

광 감지 어레이.
제 1 항에 있어서,

상기 차동 증폭기 회로에 연결되는 제 1 데이터 라인과,

상기 차동 증폭기 회로에 연결되는 제 2 데이터 라인과,

상기 복수의 광센서들의 각 광센서에 대응하는 전하 판독 회로를 더 포함하되,

상기 전하 판독 회로는,

상기 제 1 단자를 상기 제 1 데이터 라인에 연결함으로써 스캔 신호에 응답하는 제 1 스위칭 소자와,

상기 제 2 단자를 상기 제 2 데이터 라인에 연결함으로써 상기 스캔 신호에 응답하는 제 2 스위칭 소자를 포함하는

광 감지 어레이.
제 2 항에 있어서,

상기 제 1 스위칭 소자와 상기 제 2 스위칭 소자에 인가되는 스위칭 신호가 판독기간 동안 상기 광센서로부터의 신호들과 결합되며,

상기 차동 증폭기 회로는 상기 신호들과 상기 전하 차이를 식별하는

광 감지 어레이.
제 2 항에 있어서,

상기 차동 증폭기 회로는, 상기 제 1 데이터 라인과 상기 제 2 데이터 라인 간의 전하의 차이에 응답하는 출력 신호를 생성하는 차동 전하 증폭기를 더 포함하는

광 감지 어레이.
제 4 항에 있어서,

상기 차동 전하 증폭기는 상기 제 1 데이터 라인과 상기 제 2 데이터 라인 사이에 전압의 차이를 인가하는 회로를 더 포함하는

광 감지 어레이.
제 2 항에 있어서,

상기 스캔 신호를 전송하기 위한 스캔 라인을 더 포함하되, 상기 스캔 라인은 상기 제 1 데이터 라인과 상기 제 2 데이터 라인 중 적어도 하나와 용량성으로 결합되는(capacitively coupled)

광 감지 어레이.
제 2 항에 있어서,

상기 제 1 데이터 라인 및 상기 제 2 데이터 라인과 용량성으로 결합된 제 1 스캔 라인 및 제 2 스캔 라인을 더 포함하되,

상기 제 1 스캔 라인 및 제 2 스캔 라인 상의 신호는, 전하 판독이 상기 제 1 데이터 라인 및 상기 제 2 데이터 라인의 출력으로부터의 잡음 신호를 실질적으로 제거하는 것과 실질적으로 같은 방식으로, 상기 데이터 라인들과 결합되는

광 감지 어레이.
제 2 항에 있어서,

상기 제 1 스위칭 소자 및 상기 제 2 스위칭 소자 중 적어도 하나는 박막 트랜지스터를 포함하는

광 감지 어레이.
제 1 항에 있어서,

상기 복수의 광센서들의 각각은 p-n 접합 광다이오드, p-i-n 광다이오드, MOS 광커패시터, MIS 광센서 및 광컨덕터들로 이루어진 그룹으로부터 선택되는

광 감지 어레이.
제 9 항에 있어서,

상기 광센서들 중 적어도 하나는 비정질 실리콘, 비정질 실리콘 카바이드, 다결정질 실리콘, 실리콘-게르마늄, 유기 반도체 재료 또는 결정질 실리콘 중 하나 이상을 포함하는

광 감지 어레이.
제 1 항에 있어서,

제 1 광센서의 제 1 단자 및 제 2 단자와 제 2 광센서의 제 1 단자 및 제 2 단자는 선택적으로 제 1 데이터 라인 및 제 2 데이터 라인에 각각 결합되는

광 감지 어레이.
제 11 항에 있어서,

상기 제 1 광센서 및 상기 제 2 광센서를 위한 전하 판독 회로를 더 포함하되,

상기 전하 판독 회로는 선택적으로 상기 제 1 광센서와 상기 제 2 광센서를 상기 제 1 데이터 라인 및 상기 제 2 데이터 라인에 하나씩 결합시키는

광 감지 어레이.
제 12 항에 있어서,

상기 전하 판독 회로는,

제 1 스캔 신호에 응답하여 상기 제 1 광센서의 제 1 단자 및 제 2 단자와 상기 제 1 데이터 라인 및 상기 제 2 데이터 라인을 각각 연결시키는 제 1 스위칭 소자 및 제 2 스위칭 소자와,

제 2 스캔 신호에 응답하여 상기 제 2 광센서의 제 1 단자 및 제 2 단자와 상기 제 1 데이터 라인 및 상기 제 2 데이터 라인을 각각 연결시키는 제 3 스위칭 소자 및 제 4 스위칭 소자를 포함하는

광 감지 어레이.
각각이 제 1 단자 및 제 2 단자를 포함하는 복수의 광센서들과,

각각의 광센서에 대응되는 신호 감지 회로 -

상기 신호 감지 회로는,

(i) 상기 제 1 단자와 연결된 제 1 증폭기와,

(ii) 스캔 신호에 응답하여 상기 제 1 증폭기를 제 1 데이터 라인에 연결하는 제 1 스위치와,

(iii) 상기 제 2 단자에 연결된 제 2 증폭기와,

(iv) 상기 스캔 신호에 응답하여 상기 제 2 증폭기를 제 2 데이터 라인에 연결하는 제 2 스위칭 소자

를 포함함 - 와,

상기 제 1 데이터 라인과 상기 제 2 데이터 라인 상의 신호 레벨들 간의 차이를 감지하는 차동 회로를 포함하는

광 감지 어레이.
제 14 항에 있어서,

상기 제 1 단자를 제 1 리셋 전압 레벨로 스위칭하는 제 1 리셋 스위칭 소자와, 상기 제 2 단자를 제 2 리셋 전압 레벨로 스위칭하는 제 2 리셋 스위칭 소자를 더 포함하는

광 감지 어레이.
제 15 항에 있어서,

상기 제 1 리셋 스위칭 소자 및 상기 제 2 리셋 스위칭 소자는 제 1 바이어스 전압 소스 및 제 2 바이어스 전압 소스에 각각 연결되는

광 감지 어레이.
제 14 항에 있어서,

상기 신호 감지 회로는 상기 제 1 단자 및 상기 제 2 단자 상의 제 1 전압 및 제 2 전압에 응답하고, 상기 제 1 증폭기 및 상기 제 2 증폭기는 상기 제 1 전압 및 상기 제 2 전압을 제 1 전류 및 제 2 전류로 각각 변환시키는

광 감지 어레이.
제 14 항에 있어서,

상기 제 1 데이터 라인 및 상기 제 2 데이터 라인 상의 신호 레벨 간의 차이를 감지하는 상기 차동 회로는 상기 제 1 데이터 라인 및 상기 제 2 데이터 라인과 연결된 제 1 전류 감지형 증폭기 및 제 2 전류 감지형 증폭기를 포함하는

광 감지 어레이.
제 14 항에 있어서,

상기 제 1 데이터 라인 및 상기 제 2 데이터 라인 상의 신호 레벨 간의 차이를 감지하는 상기 차동 회로는 전하 증폭기들을 포함하는

광 감지 어레이.
제 14 항에 있어서,

상기 제 1 증폭기 및 상기 제 2 증폭기 중 적어도 하나는 박막 트랜지스터를 포함하는

광 감지 어레이.
제 14 항에 있어서,

상기 제 1 데이터 라인 및 상기 제 2 데이터 라인 상의 신호 레벨 간의 차이를 감지하는 상기 차동 회로는 박막 트랜지스터를 포함하는

광 감지 어레이.
제 14 항에 있어서,

제 1 광센서의 제 1 증폭기 및 제 2 증폭기와, 제 2 광센서의 제 1 증폭기 및 제 2 증폭기는 선택적으로 제 1 데이터 라인과 제 2 데이터 라인에 각각 결합되는

광 감지 어레이.
제 22 항에 있어서,

상기 제 1 광센서 및 상기 제 2 광센서 각각에 대한 전하 판독 회로를 더 포함하되,

상기 전하 판독 회로는 선택적으로 상기 제 1 광센서 및 상기 제 2 광센서의 제 1 증폭기와 제 2 증폭기를 상기 제 1 데이터 라인 및 상기 제 2 데이터 라인에 하나씩 결합시키는

광 감지 어레이.
복수의 광센서 쌍들을 포함하는 앞면 - 상기 광센서 쌍의 각각의 광센서는 제 1 단자 및 제 2 단자를 포함하고, 상기 각각의 광센서는 영상 픽셀에 대응하며, 상기 각각의 광센서가 입사광 레벨에 따라 상기 제 1 단자와 상기 제 2 단자 사이에 전하를 형성함으로써 상기 입사광 레벨에 응답함- 과,

각각의 광센서 쌍에 대응되며 제 1 데이터 라인 및 제 2 데이터 라인을 구비하는 차동 증폭기와,

각 차동 증폭기에 대응하는 제 1 전하 감지 회로 및 제 2 전하 감지 회로를 포함하되,

각각의 전하 감지 회로는,

(i) 상기 제 1 단자에서의 전하 레벨에 따라 변하는 제 1 출력 신호를 제공하는 제 1 증폭기와,

(ii) 스캔 신호에 응답하여 상기 제 1 출력 신호를 상기 제 1 데이터 라인에 결합시키는 제 1 스위치와,

(iii) 상기 제 1 단자를 제 1 리셋 전압 레벨로 스위칭하기 위한 제 1 리셋 스위치와,

(iv) 상기 제 2 단자에서의 전하 레벨에 따라 변하는 제 2 출력 신호를 제공하는 제 2 증폭기와,

(v) 상기 스캔 신호에 응답하여 상기 제 2 출력 신호를 상기 제 2 데이터 라인에 결합하는 제 2 스위치와,

(vi) 상기 제 2 단자를 제 2 리셋 전압 레벨로 스위칭하기 위한 제 2 리셋 스위치를 포함하고,

상기 제 1 리셋 전압 레벨과 상기 제 2 리셋 전압 레벨은 반대의 극성을 가지는

광 감지 어레이.
제 4 항의 광 감지 어레이의 작동 방법으로서,

각각의 스캔 라인에 대해서,

상기 광센서의 상기 제 1 단자 및 상기 제 2 단자를 상기 제 1 데이터 라인 및 상기 제 2 데이터 라인에 연결하는 상기 스캔 신호의 시작에 앞서, 상기 차동 전하 증폭기의 상기 출력 신호의 제 1 샘플을 획득하는 단계와,

상기 스캔 신호가 상기 광센서들의 상기 제 1 단자 및 상기 제 2 단자를 상기 제 1 데이터 라인 및 상기 제 2 데이터 라인에 연결한 후에, 상기 차동 전하 증폭기의 상기 출력 신호의 제 2 샘플을 획득하는 단계와,

상기 제 1 샘플 및 상기 제 2 샘플을 공제하는 단계를 포함하는

광 감지 어레이의 작동 방법.