TW201229506A - Transistor circuits for detection and measurement of chemical reactions and compounds - Google Patents

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Description

201229506 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本申請案主張2010年6月30曰申請之美國臨時申請案第 61/3 60,493號、20 10年7月1曰申請之美國臨時申請案第 61/3 60,495號及2010年7月3日申請之美國臨時申請案第 61/3 61,403號的優先權，其内容係以全文引用方式併入本 文中。 【先前技術】 依據目前的研究發現，電子裝置及元件在化學及生物學 (通常稱為生命科學）上可以有許多種應用，特別是應用於 偵測及測量各種生化反應及檢驗，以及偵測及測量各種化 合物，其中之一是熟知的離子感測場效電晶體（i〇n_ sensitive field effect transistor，ISFET，或稱pHFET)，其 通常被大專院校及研究單位使用於測量溶液中的氫離子濃 度（即pH值）。 一般而言，離子感測場效電晶體是一種阻抗轉換裝置， 其操作方式與金氧半場效電晶體（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET)相似，且 其通常係用以選擇性測量溶液中的離子活性，例如可以將 溶液中的氫離子視為分析物，有關於離子感測場效電晶體 之操作的詳細理論可以參照博夫德發表的論文（Thirty years of ISFETOLOGY: what happened in the past 30 years and what may happen in the next 30 years,” P. Bergveld, Sens. Actuators, 88 (2003)，pp. 1-20)，其係以全文納入本 157328.doc 201229506 說明書之範圍。 另外，羅斯伯格等人在美國專利公開第2〇1〇/〇3〇1398 唬、第2010/0282617號及第2009/0026082號，亦揭露關於 利用習知的互補式金氧半導體（c〇mplementary驗&1 〇心: SemiConductor，CMOS)之製程來製造離子感測場效電晶 體，其係以全文納入本說明書之範圍。除上述互補式金氧 半導體之製程外，還可以使用雙載子金氧半導體（叫如 and CMOS’ biCMOS)之製程，此製程會在一 p型金氧半場 效電晶體陣列的周圍形成雙載子結構。此外，當然可以應 用其他科技，只要可以形成具有三端子裝置之感測元件： 可’例如為鎵砂及奈米*炭管技術，#中，㈣測之離子可 以導致一信號，以便控制三個端子其中之一。 以互補式金氧半導體為例，一種p型離子感測場效電晶 體的製程可以於一 P型矽基板上進行，其中，一關井係形 成於P型矽基板，以形成電晶體之基體，並且在^^型井中形 成尚度P型（P+)換雜區域S&D，以分別構成離子感測場效 電晶體之源極與汲極’另外，在N型井中形成一高度_ (N+)掺雜區域b，以形成與1^型井連接之導電基體（或基 極）。然後，在源極、汲極與基極連接區域分別形成一^ 化層，藉以形成一開口以便提供電性連接（經由電導體）至 該些區域。另夕卜’在氧化層上相對Μ型井的位置係形成 有：多晶矽開極’其係介於源極與汲極之間，由於此氧化 層係設置於多晶矽閘極與電晶體基體（如Ν型井）之間，所 以其通常可以作為一閘極氧化層。 157328.doc 201229506 與金氧半場效電晶體的操作相似’離子感測場效電晶體 的操作是基於由一金氧半導體電容所形成之電荷濃度調變 (及通道傳導性），此電容是由一多晶矽閘極、一閘極氧化 層及介於源極與汲極之間的一井區域（如N型井）所構成； 當施加一負電壓於閘極區域與源極區域之間時，可以消耗 此區域中的電子以便在此區域與閘極氧化層之介面形成通 道，以一N型井為例，所形成之通道為一 p型通道，反之亦 然。另外，在N型井中，所形成之p型通道係延伸於源極與 汲極之間，因此當施加於閘極與源極之間的負電位差夠大 時，可以吸引源極的電洞進入通道，藉以形成電流，此 時，使得通道開始產生電流時的閘極與源極電位差係為電 晶體之臨限電壓vTH(當閘極與源極電位差Vgs的絕對值大 於臨限電壓VTH時，電晶體會導電），由於源極係作為通過 通道之電荷載體(P型通道之電洞)的來源’所以被稱為源 極，相同地，汲極係為電荷載體離開通道處。 依據羅斯伯格所述，離子感測場效電晶體可以具有一浮 動閘極結構，其制料接多晶Μ極與複數個金屬層而 得，其中該等金屬層係設置於—個以上之設置在閑極氧化 層之上的氧化層中；由於浮動間去 田义子勖閘極結構係與離子感測場效 電晶體中的其他導體電性隔離，所以被稱為浮動間極社 構，另外，其係夾設於間極氧化層與一純化保護層之間， 其中，純化保護層係設置於浮動 a子動閘極之一金屬層（如上金 屬層）上方。 另外，如羅斯伯格所揭露，齙 句路蠘子感測場效電晶體之鈍化
S 157328.doc 201229506 保護層可形成一離子感測膜，其係能夠提高裝置的離子靈 敏度；若分析物與鈍化保護層接觸時，位於浮動閘極結構 上方之一感測區域通常能夠改變離子感測場效電晶體之電 性特性，因此可以調變通過離子感測場效電晶體之源極與 汲極間之通道的電流，其中，分析物例如為分析物溶液中 的離子，如一溶液中含有相關之分析物（含離子），或一待 測試溶液以測試是否存在相關之分析物。其中，鈍化保護 層可包括任一種能夠對特定離子提高靈敏度之不同物質， 例如鈍化保護層可包括氮化矽或氮氧化矽，或金屬氧化物 如矽、鋁、或鈕氧化物，其通常能夠提高對分析物溶液中 氫離子濃度（pH值）的靈敏度；相同地，若鈍化保護層中包 括聚氣乙烯，其含有纈氨黴素，能夠提高對分析物溶液中 鉀離子濃度的靈敏度。目前已知可以利用其他適當之物質 來形成鈍化保護層，藉以提高對其他離子的靈敏度，如鈉 離子、銀離子、鐵離子、溴離子、碘離子、鈣離子、及硝 酸鹽離子等，當然，鈍化保護層以可以包含其他物質，如 金屬氧化物、金屬氮化物 '金屬氮氧化物等。針對分析物 溶液與鈍化保護層之介面所產生的化學反應而言，在離子 感測場效電晶體之鈍化保護層中所加入之物質的表面可以 2有化學基團，其可以用來提供質子給分析物溶液或接受 分析物溶液所提供之質子’其可以在與分析物溶液相鄰之 鈍化保護層的表面上，於任意時間提供負電荷、正電荷、 或中性位置。 以離子靈敏度而言，在鈍化保護層與分析物溶液之間的 157328.doc 201229506 固體/液體介面上會產生一電位差（通常稱為表面電位），其 係能夠利用其化學反應提供感測離子濃度之功能，其通常 包含氧化物表面基團受到在感測區域附近之分析物溶液中 的離子所影響而產生解離。此表面電位可依序影響離子感 測場效電晶體之臨限電壓，因此，離子感測場效電晶體之 臨限電壓會依據位在感測區域附近之分析物溶液中的離子 變化而變動；如羅斯伯格所述，由於離子感測場效電晶體 之臨限電壓vTH對離子濃度敏感，所以其源極電壓％可以 提供一信號，其係直接反應位在離子感測場效電晶體之感 測區域附近之分析物溶液中的離子濃度。 化學感測場效電晶體（chemFET)陣列，或特別是離子感 測場效電晶體陣列，可以用來監控反應，例如為核酸（如 DNA)定序反應，其係利用監控在反應過程中分析物的出 現、生成或消耗而達成；一般而言，此陣列（包括大陣列 之化學感測場效電晶體）可以在各種化學及/或生物學製程 (如生化反應、細胞或組織培養或監控、神經活性、核酸 定序等）中，偵測並測量各種分析物之靜態及/或動態數量 或濃度（如氫離子、其他離子、非離子分子或化合物等）， 其可以依據分析物的各種測量結果而得到有價值的資訊。 上述之化學感測場效電晶體陣列可以藉由化學感測場效電 晶體表面之電荷變化而應用於各種分析物之偵測方法及/ 或生化製程之監控方法，其中，化學感測場效電晶體（或 離子感測場效電晶體）陣列之應用可包括偵測溶液中之分 析物，及/或偵測附著於化學感測場效電晶體表面（如離子 ⑸脑 , 5 201229506 感測場效電晶體之鈍化保護層）之電荷變化。 有關於製造離子感測場效電晶體陣列之研究係如米爾古 羅與庫敏所揭露之内容（“A large transistor-based sensor array chip for direct extracellular imaging,55 M. J. Milgrew M. O. Riehle, and D. R. S. Cumming, Sensors and
Actuators，B: Chemical，111-112,（2005)，pp‘ 347-353)及米 爾古羅、哈蒙德與庫敏所揭露之内容（“The devel〇pment d scalable sensor arrays using standard CMOS technology，” M. J. Milgrew，P. A. Hammond，and D. R. s. Cumming，
Sensors and Actuators, B: Chemical, 103, (2004), pp. 37-42) ’其係以全文納入本說明書之範圍，其中，化學感測 場效電晶體陣列或離子感測場效電晶體陣列之製造與在化 學偵測之應用（包含DNA定序相關之離子監測）的敘述係如 羅斯伯格所述，詳言之，羅斯伯格係揭露利用化學感測場 效電晶體陣列（特別是離子感測場效電晶體陣列）來定序一 核酸，其包括在一反應腔室中將已知的核甘酸與複數核酸 混合後接觸或連接至化學感測場效電晶體，其巾，核酸係 在反應腔至中連成一串；然後測量化學感測場效電晶體之 佗號其中’測量此信號表示將已知的三構核甘酸形成 合成核酸時，所釋出之一個以上之氫離子。 '而傳統上，藉由於離子感測場效電晶體之一輸出測 ΐ，瞬：電壓而可測量分析物溶液中之離子濃度。由瞬間 電&所提供之仏號雜訊比無法像在很多情況下所期望的一 樣问又利用離子感測場效電晶體感測器陣列設計之縮 157328.doc 201229506 放，可將更多離子感測場效電晶體感測器壓縮在一晶片 上。因此，習知技藝存在有提供一種比瞬間電壓測量更好 的SNR之需求，且亦存在有對於晶片上資料壓縮之需求。 此外’利用離子感測場效電晶體感測器陣列設計之縮 放’可將越來越多的離子感測場效電晶體感測器壓縮在一 晶片上。因此，習知技藝存在有以下需求：提供一讀出機 構以於向速下從一晶片輸出測量的資料。 【實施方式】 單一電晶體像素陣列 一浮動閘極（FG)電晶體可能用於偵測極接近閘極電極之 離子。電晶體可能配置有其他電晶體，用以形成一個可被 置於一陣列中以供可編址讀出用之像素。在最簡單的形式 中，單獨使用附屬電晶體以在一陣列中隔離及選擇浮動閘 極電晶體以供讀出用。浮動閘極電晶體可能是一種化學感 測電晶體’尤其是一種化學感測場效電晶體（ChemFET)。 化學感測場效電晶體可能被設計有一金氧半場效電晶體 (MOSFET)，其包括使用標準互補式金氧半導體（(：1^〇3)製 私所製造之自對準源極及汲極植入。化學感測場效電晶體 可能是一種離子感測場效電晶體（ISFET)，及可能是PM〇s 或NMOS裝置。 為了使像素尺寸縮小至操作之最小尺寸及最簡單形式， 可剔除附屬電晶體以藉由使用一個電晶體來形成一離子感 測場效電晶體（ISFET)。此種單一電晶體（或it)之像素，可 猎由將沒極電流轉換成彳亍之電壓來提供增益β在電晶體之 s 157328.doc 201229506 端子之間的寄生重疊電容限制了增益。此電容比亦允許一 致的像素至像素的增益匹配及相當的定電流操作，其證明 一列選擇線之使用’且一列選擇線可在不會導致不可接受 的變化的情況下減弱所需要的電流。此種之衍生物允許經 由在讀出期間被啟動之一串疊電晶體而增加可程式化增 益°可建構可配置的像素，以允許共通源極讀出與源極隨 耦器讀出兩者。 圖1顯示依據本發明之一個實施例之丨丁離子敏感像素。 如所示，像素100可具有唯——個電晶體101，唯——條列 線R以及唯 條單一行線C。於本實施例中，所顯示的 電晶體101為使用標準互補式金氧半導體製程可得到的p型 磊晶基板中之η通道金氧半場效電晶體（NM〇s)。吾人應理 解到，本發明只使用1^矹〇8作為例子，且電晶體1〇1同樣可 能是PMOS。選擇NMOS或PMOS作為較佳裝置取決於對給 定製程而言，何種裝置並不需要上側主體接觸（t〇p_side bulk contact)。一般當使用具有卩型磊晶層（被稱為 wafer)之P+晶圓時，使用1^1^〇3是較佳的，其乃因為下層 P +基板使像素陣列上之主體偏壓而不需要於每個像素位置 因此，全域主體接觸係一種與需要 起使用之有吸引力的組合。電晶體 配線在一主體接觸中。 小像素間隔之1T像素一 ⑻之浮動閘極G可包括陷人電荷，其可能適當地被釋放， 以在所有其他端子亦偏壓至基板電位時，使電極位於與基 板幾乎相同的電位。列線尺可能電容耦接至電晶體ι〇ι之汲 極D而仃線可能耦接至電晶體101之源極s。一閘極至汲 157328.doc 201229506 1 極重疊電容Cgd可形成在閘極G及汲極D之間，像素1〇〇可 能從列線R可編址，列線R提供行電流（亦即，電晶體ι〇ι之 汲極至源極電流），並升高於浮動閘極之電位的電壓。 在單一電晶體像素陣列中，例如圖3所示之單一電晶體 像素陣列，藉由升高-特定列之阳節點的電壓可能促進列 選擇。於一實施例中，像素之讀出係為以下將說明之一種 臝者通吃電路（winner-take-all circuit)。 圖2顯示依據本發明之一個實施例之ιτ像素之橫剖面 圖。1Τ像素中之電晶體可藉由使用一η通道fet裝置所形 成’其具有在P型半導體之内的關植入所形成之—没極D 及-源極S。如所示，電晶體可具有—浮動閘極〇、沒極d 及源極s。源極接至行線c，而沒極d可柄接至列線 輕微摻雜沒極（LDD)區域可建立—閘極至汲極重疊電 容cgd及/或一閘極至源極重疊電容cgs。
^ 一實施例中’ 1T離子像素⑽可能藉由將列選擇線R 靴π式牽引至洋動閘極G而同時為行線偏壓提供電流源來 工作°在最簡單的形式中’此㈣帶式牽引在不增加任何 額外電容器之情況下產生。如圖⑴所示，閘極至汲極重 疊電容Cgd可自然地形成需要的電容轉合。為了增加電容 Μ 口如果*要的話’列選擇金屬線可形成至浮動金屬電 極之-額外金屬電容器，或可利用離子植入法做出更顯著 的源極及沒極延伸。 圖3』不依據本發明之_個實施例之具有行讀出開關之 像素陣列之概要圖。為了說明起見，雖然陣列·可擴增 157328.doc g 201229506 至任何尺寸之it像素之陣列，但只顯示排列成兩列及兩行 之陣列300之四個1T像素301、302、303及304。1T像素可 能類似於圖1所示之1T像素。像素301及302之汲極係耦接 至一列線R0 ’而像素301及302之源極S係分別耦接至行線 C0及C1。像素303及304之汲極係耦接至一列線ri，而像 素303及304之源極S係分別耦接至行線C0及C1。像素陣列 可被載入有一電流源’但最簡單的實施係只使用將行線預 充電至一低電位（例如基板電位）之單一開關。一行讀出開 關305係耦接至行線C0，而一行讀出開關306係耦接至行線 C1。行讀出開關305包括一開關Sa、一開關Sb、一電流源 Isource及一電容器Cw。開關Sa係用來預充電行線，並在 取樣之間快速地初始化此行線❶開關Sb係用以取樣及保持 在行線上讀取之類比式數值。在某些情況下，如果經由一 種類比式至數位轉換器將像素切換至數位，同時將像素保 持於在偏壓之下，則既不需要一取樣電容器也不需要一開 關Sb。開關Sa係用以使行線co接地。在使行線開關Sb開路 之後’取樣被盛裝在電容器中，因為電路依據「赢者通 吃」模式（亦即，所產生之電壓表示耦接至讀出電路之離 子感測場效電晶體之最大電壓）操作，所以將藉由主動列 而幾乎完全決定如被電容器取樣的行線上之最終數值。行 讀出電路306產生類似的功能。 此種像素之操作取決於以下事實：相較於源極隨耗器之 電源電壓或讀取範圍，任何既定像素之信號範圍很小。舉 例而言’有用的信號範圍可能只有10〇 mV且電源電壓可能 157328.doc -12- 201229506 是3.3 V。當選擇一列0主 ^ ^ _ 寺，R線係被驅動至一主動高電壓 VH，而所有其他列線係維垃 宁'，准持於一主動低電壓VL。在任何 既定像素之讀出期間，雄埋蚀< & ^ 選擇幾乎等於行線C上之額定電壓 之電壓VL。因為信號笳囹 現軏圍小，所以於此例中，已知這個 電壓係在100 mV之内β闵^ ^ 囚此，所有無效（inactive)像素之 没極至電源電壓總是伴姓认，^ -疋保持於小數值。如果無效像素之閘極 至源極電壓接近裝置之閾值， 限 ^ 點疋唯一關鍵。對於 驅動至VH之列而言，供那石丨 k那列用之FG電壓係因為當列線轉 變至VH時產生之勒^帶式臺3丨 > 飞聿引而大巾田南於其他列。在行線 開關Sb被斷開以後，因為電路依據赢者通吃模式操作，所 以仃線上之最終數值將藉由主動列而幾乎完全被決定。 存在有來自彳以失真信號值之其他列（一個會增加電流 且-個會取走電流)之兩個電流源，且在沒有來自產生這 些來源之其他列之顯著交互作用的情況下，必須有可利用 以成功地讀取像素之足夠之靴帶式牽引。決定靴帶式牵引 是多麼需要之分析係說明如了。在取樣像素時，此裝置已 經進入操作之次臨限區，其具有譬如近似1〇〇 mv/十年之 轉導斜率。14意味著關於每i〇〇 mV之閘極電壓之變化，電 流變化10倍。為了有效讀取單一像素，設定一基準，俾能 使在行線上之99%之電流係可歸屬於活性列，而只有1%係 可歸屬於非活性列（失真電流）。從此可決定多麼需要靴帶 式牽引。利用在像素陣列中之只有兩列，依據亞閾值斜率 而需要浮動閘極電壓之200 mV差異。因為亦需要計算大約 100 mV之偽號範圍，所以總需求大約是3〇〇 。如果有
S 157328.doc -13- 201229506 ι〇列’則從非活性列可能有10倍多之貢獻。因此，需要額 外的100 mV。如果陣列增加至100列，則需要另一 100 mV。如果陣列增加至1〇Λη列，則需要3〇〇+1〇〇*n mV。舉 例而s ’ 10000 〇〇λ4)列像素陣列只需要總共7〇〇 mv (300+100*4)的靴帶式牽引。此種數量之靴帶式牵引可從 重疊閘極及汲極之電容來達成。如果需要更多電容，在遮 罩佈局中可提高額外耦合。上述分析只應用至對讀出電流 提供貢獻之像素。 像素亦可從行線取走電流並將其經由非活性列線減弱。 因為非活性列線係被設定到近似於行線之位準，所此種電 流消耗將是最小的’但其仍然必須被量化及控制。為達成 此目的，不應允許行線之最終電流減少超過某個位準。此 乃藉由以例如1 uA之小電流槽（current sink)載入而獲得確 保。關於1之W/L(寬度比長度）之比率，一個以其閾值被偏 壓的電晶體將具有大約0.1 UA之飽和電流。關於每丨〇〇 mV 之閘極至源極電壓之減少，此電流減少了 1〇的因子。如果 需要少於1 %貢獻之電流，則無效像素之VGS需要維持低於 臨限電壓100+100*n mV，於此之10Λη係為在列中之像素之 數目。因此，關於1 〇〇〇〇列之像素陣列，VGS需要維持低 於閾值500 mV。一種典型的33 v NM〇s電晶體具有6〇〇 mV之VT。因此，關於無效像素之VGS應少於1〇〇 mV。假 5又當列（R)及彳亍（C)線係於〇 V時’ fg具有〇 v之額定電壓， 則即使當R及C耦接至FG仍滿足此條件。如果1?〇具有高於〇 V之額疋電壓（·#如導因於陷入電荷）’則需要更多鞭帶式 157328.doc •14· 201229506 牵引以導致行線到達在FG夕丨ηΛ τ/^ ^ 不你之】00 mV之内之位準。只要額 定FG電壓夠低，那麼用以佶奂直 M便矢具電流最小化之第二基準並 非是限制因子。最後，需要足夠Μ式牽心產生— Μ 於匹配色料擴散電流之行線上，俾能使像素可產生一可： 莖的電麼於行線上0如要W &々Μ , 如果VG係名義上為0 ν，則靴帶式牽 引需要700 mV。因此，關於且古上 關於具有如600 mV—樣高的ντ之 NMOS，户斤需之轨帶式牵之數量係只有受限於 有容限地讀出像素’關於㈣式㈣之良好目標值係^ 這留下鳩mV之變化範圍。達成IV之靴帶式牵引係 在3.3 V供應源之内。 為了 V。 實際 從行讀出之所有電流係、經由列線分配。如果行電流亦是 顯著的話，這可導致列線之電壓之顯著的降低。電壓降低 影響轨帶式㈣位準，但並㈣於源極隨Μ之讀出，此 乃因為及極電壓之變化只具有二階效應。因為像素係以多 樣賣出戶斤以可消除偏移以使降低並不影響像素之靈 吾人應注意到’關於源極隨耦器讀出及共通源極讀出， 只要任-者並未作最佳化的話，則可使用相同的佈局。只 有需要作的調和係位於行電路中。這依據需要的信號範 圍’使—彈性讀出結構及任—讀出方法可以被使用。如果 以需要高增益的話，則應使用共通源極模式。否則，可 以使用源極隨耦器模式。 时顯不依據本發明之—個實施例之_素之源極㈣ “ ；原極搞器模式具有—緩衝讀出並以一電壓模式
S 157328.doc -15- 201229506 操作，且具有小於1之增益。如所示，單一電晶體4〇丨之閘 極G可耦接至一輸入電壓Vi，而其汲極D耦接至一固定電 壓。電晶體401之源極S可經由一電流源18〇1^“而接地。輸 出電壓Vo可來自電晶體4〇1之源極。一耦合電容Cc可存在 於電晶體401之輸入與閘極之間，一寄生電容器Cgd可存在 於電晶體401之閘極G與汲極D之間，而一寄生電容器cgs 可存在於電晶體40 1之閘極與源極s之間。 下述分析係為源極隨耦器讀出之增益所提供。參見圖 4,可將電路（G)之增益定義為v〇/Vi。藉由使用參考像 素，可掃過系統之電極以測量增益，以使v〇/Vi=G。藉由 使用-參數G之測量數值’於此例子係為Q &，可決定a 與Cgd之比率。如後來所將討論的，就是這個將決定共通 源極模式中之增益的㈣。源極隨耦器之輸入電容係為 Ci=Cgd+CgS(l-Asf)，其中Asf係為源極隨耦器之增益。由 於基體效應’ Asf大約為0.85。關於贿上之輸入電壓之電 容分壓器係為Cc/(Ci+Cc)，因此，Cc/(Ci+Cc)=G/Asf。因 為Cgs係大於Cgd大約3_5倍且Asf大約為〇，所以α大約 為2Cgd。因此，Cc=2Cgd(G/(Asf _G))。於此例中，以與 Cgd之比率大約為6.5。 :實施例巾纟發明藉由利用共通源極組態之讀出來 獲得電㈣益。理想上是可達成像素尺寸之縮小以及信號 位準之增加兩者。本發明消除在其他像素設計（例如，以 下所討論的2T及3T)中之附屬電晶體，並使用離子感測場 效電晶體之源極作為選擇線以達成這兩個目標。共通源極 157328.doc -16- 201229506 模式係為一增益模式及一電流模式。 圖5A顯示依據本發明之一個實施例之一 ”共通源極離 子敏感像素。如所示，像素5⑽可具有唯__個電晶體 5〇1、准--條列線R以及唯一一條行線於本實施例 中’所顯示的電晶體5〇1為使用標準互補式金氧半導體製 程可得到的P型蟲晶基板中之㈣道金氧半場效電晶體 (NMOS)電晶體，雖然其也可能是—p通道金氧半場效電晶 體。NMOS裝置通常較佳是與不需要前側主體接觸之p+蠢 晶晶圓一起使用。技術上，PM〇s可以與n+ 6?丨晶圓一起 使用，但此種組態在標準互補式金氧半導體製程中通常並 未產生。列線尺可耦接至電晶體5〇1之源極s，而行線可耦 接至電晶體5(H^_D。關擇係藉由於—條供電源電壓 用的路徑執行i刀換而提高，而像素之讀出係經由汲極。 依據本發明之-個實施狀具有行讀出開關之像素陣列 之概要圊係顯示於圖6。陣列6〇〇具有四個丨丁共通源極像素 601、602、603及604。1T像素可類似於圖从所示之丨丁像 素。於此例中，像素係被排列成兩列及兩行。像素6〇1及 602之汲極係耦接至一行線c〇，而像素6〇1及6〇2之源極^係 分別地耦接至列線尺〇及Ri。像素6〇3及6〇4之汲極係耦接 至一行線C1 ,而像素6〇3及604之源極s係分別地耦接至列 線R0及R1。一行讀出開關605係耦接至行線c〇，而一行讀 出開關606係耦接至行線c 1。行讀出開關6〇5包括一開關 Sa、一開關Sb、一電阻R及一電容器Cw〇。行讀出開關6〇6 包括一開關Sa、一開關Sb、一電阻r及一電容器Cwl。開 157328.doc 17-
S 201229506 關Sa可將行線上之電麼拉至一固定電墨，譬如拉m v 供應源。當行線開關Sb呈開路時，行線上之最終數值將由 活性列所決定，因為開關訃與電容器Cw〇 一起作為一取樣 及保持電路。 7 像素陣列可被載入一個具有有限的輸出電阻之電流源或 例如電阻之另一負載裝置。正常地，列選擇線將被維持於 γ主動高電堡VH。t選擇-列以供讀出時，其歹4選擇線 係被拉低至VL。VL之數值係被設定成使額定電流位準大 約為1 uA。如果FG具有高於標準1〇〇爪¥之數值則於行 線上將導致此電流之10倍。如果FG之數值係為低於標準 100 mV，則電流將是i 0倍低。行線上之信號之建立時間將 是取決於信號的。電壓增益係利用R之數值之選擇而達 成，且其可被可配置以達成可程式化增益。舉例而言，如 果R為100k歐姆，則10〇11^於輸出換算成為1 v。 因為所涵蓋的寄生電容，所以實際電路係比僅僅單純的 共通源極放大器更複雜。因為FG節點並未被驅動，但電容 耦a至輸出，所以存在有一種限制增益之反饋機構。這種 限制大約等於在FG節點到閘極至汲極電容之總電容。此種 比率可能大約是3。其可被設計利用慎重之遮罩操作以縮 小源極及没極延伸以達成較高的增益，例如1〇倍。 圖7 A顯示依據本發明之一實施例之丨τ共通源極像素之 橫剖面° 1Τ像素中之電晶體可藉由使用一η通道FET裝置 所形成’其具有在p型半導體之内的N型植入所形成之一汲 極D及一源極S。如所示，電晶體可具有一浮動閘極G、汲 157328.doc -18- 201229506 極D及源極S。源極S可耦接至列線R，而汲極D可耦接至行 線C。輕微摻雜汲極（LDD)區域可建構—閘極至源極重疊 電容Cgs及一閘極至没極重疊電容Cgd。 藉由略過LDD植入於裝置之汲極，可縮小由ldd區域建 構之重疊電容。圖7B顯示依據本發明之—實施例之丨丁共通 源極像素之橫剖面。圖7B顯示一汲極節點；其具有一遺漏 的LDD區域。此種遺漏的區域減少電容並增加增益。這可 經由屏蔽掉LDD植人而達成，並可於標準互補式金氧半導 體製程中被實施。 因為源極電流必須從列選擇 在圖5A所示之1丁像素中 線提供，所以電流的變化由於信號的變化將建立電壓的變 化。這些變化可使測量失真。因此，列選擇線應是低電 阻’且供那條線用之驅動器亦應供應獨立於電流負載之穩 疋電源電壓。雖然這是不可能的，但可從行線提供電流且 可曰加帛一選擇電晶體以形成一 2丁像素以供共通源極讀 出:’如於下所說明之圖1〇Α所示。因為增益受限於寄生 重疊電Lx期望是所使用之最佳負載係為—電流源， 八以具有间輸出電阻之電晶體實施。於此情況下因為辦 益係經由電容器比率達成，㈣於所有裝置中將維持相當 的疋電抓即使利用處理所有電流之單一列選擇線，因為 於源極之電壓變化是最小，所以這使㈣態成為可行。 共通源極讀出組能中夕伯s 、 心T之像素係顯示於圖5B中。電晶體形 成具有負電屋增器夕於士3& 之放大器。此種負電壓增益形成一個具 有寄生電容器之自缺后钟、 …、反饋迴路以便控制增益。放大器之開
S 157328.doc -19- 201229506 迴路增益係為A=gm(ro) ’其中gm係為轉導。關於一既定
偏壓條件及製程技術而言’數值Α 一般大於如圖5C 所示，共通源極等效電路具有一反饋電容Cgd、一耦合電 容Cc以及Cgs。 因為A相較於迴路增益是大的，所以可將負輸入端子視 為一虛接地節點，且可將電路之增益決定為v〇/Vi=_
Cc/Cgd。因為這個比率係從源極隨耦器組態之分析或測量 的數值得知，所以可將增益決定成約6·5。然而，相較於 源極隨耦器而言，增益係為v〇/vi=2/(Asf _G)。於此例子 中，在源極隨耦器組態之上實現1〇之增益。此種增益之下 限係由假設源極隨耦器之輸入電容係僅導因於Cgd以及Ad 係等於1而得到。於此情況下，增益約為3。因為這些條件 '又有個疋實際的，所以期望增益總是超過此數目。因 此’如果-像素之源極隨輕器組態之增益是已知的，則此 種像素之共通源極組態之增益亦為已知。此外，增益愈 南，像素更敏感。這使得共通源極組態是較佳的。 藉由使用相同型式之通道摻雜作為少數载子，可減少間 爍雜訊。舉例而言，具有N型植入2NM〇s產生一被埋入 通道電晶體。為轉移裝置之功函數，可使用p+閘極電極。 具有串疊行電路之單一電晶體像素陣列 :電：體像素之—個衍生物允許經由在讀出期間被致 牝之_疊電晶體’來增加之可程式化增益。 因為共通源極讀出之增益係受限於Cgd電容，如 示’所以降低這種電容可增加增益。圖8顯示具有—串叠 157328.doc -20- 201229506 列選擇裝置之-共通源極像素。如所示’ 一電晶體咖可 忐加至一共通源極像素，例如，顯示於圖5B之電路。電晶 體謝之閘極可祕至-電壓Vb，而電晶體咖之源極可= 接至電晶體501之汲極。輸出電壓v〇可來自電晶體8〇1之汲 極。此串疊有效地從反饋迴路移除Cgd電容，並以遠小的 多的Cds將其置換掉。㈣，可達成像迴路增益那樣的增 益，其可超過100。 於1T組態中，藉由使像素之外部之裝置串疊至行線可 產生較高增益及可變增益。圖9顯示具有串疊行電路之單 一電晶體像素陣列。這可允許高增益及更允許利用每像素 只有-個電晶體來使像素節距最小化待。所顯示之像素陣 列係為-行’其具㈣聯連接之複數個單—電晶體像素 (例如’ 500)，並具有一串疊裝置於陣列之基體。串疊裝置 可包括一電晶體901。電晶體9〇1之閘極可耦接至一偏壓 Vb，電晶體901之源極可耦接至電晶體5〇1之汲極，且電晶 體901之汲極可經由一電流源耦接至一固定電壓。輸出電 壓Vo可肖b來自電晶體9〇 1之沒極。吾人應理解陣列可具有 —些行。 於此情況下，串疊強迫像素之汲極維持於一相當穩定的 電壓遍及輸人之範圍。這可導致像素經由位於陣列之基體 之串宜裝置推壓幾乎所有的電流變化進入電流負載中。這 減 >、來自Cds之負反饋，其將另外限制增益。假設電流負 載具有無限的輸出電阻及存在有效地無耦合電容至17(}節 點，則像素之增益現在係為_(gmlr〇1 + 1)gm2r〇2，其中 I57328.doc -21 - 201229506 係為於行線之基極之串疊裝置之轉導，而gm2係為像素之 轉導’且rO 1及r〇2係為於汲極看到的小信號輸出電阻。輸 出電阻之數值係由通道長度調變所決定。因為通道長度調 變之效應係被最小化，所以較長的閘極長度產生較高的輸 出電阻。因為此種增益如此大，所以其可藉由電流源輸出 電阻（顯示為圖9之Radj)之變化被限制並設計。這可允許可 程式化增益於行位準，同時維持一簡單的丨電晶體像素。 然後，藉由-gm2RL設定像素之增益，假設負載電阻尺[係 遠小於串疊組態之輸出電阻，於此Rl係為Radj之調整值。 增孤現在在1至1〇〇或更大之範圍之内係可配置及可程式化 的舉例而&，如果偏壓電流係大約為5 uA，則像素之轉 導大約是50 uA/V，且關於！之增益需要2〇κ歐姆之負載電 阻利用200 Κ歐姆負載達成1〇之增益，利用⑽歐姆負載 達成100之增益。有很多是實施串疊裂置之效應於行線。 串疊之主要目的，如圖之作為-NMOS電晶體之901所示， 係為將行線保持於主要獨立於像素中之電流位準之電位。 可應用-種具有高增益之差動放大器，以更精確地維持此 種條件。此種方法將被稱為增益提高之串疊。 可選擇各種佈局以實現-種R及2Τ電晶體。為了縮小像 、寸u鄰^像素之源極及没極《依此方式，單 -列選擇線一次致能2列。這減少列配線：關於一既定行 間距’接著立刻讀出兩行。這樣的機構係顯示於圖10Α及 如所不像素陣列1000包括在一行中之電晶體 2 1003及1004。電晶體1GQ1之源極係辆接至一 157328.doc •22- 201229506 列線R2 ’而電晶體1 004之源極係编接至一列線r〇。電晶 體1001及1002可形成一鏡Ml ’而電晶體1003及1004可形 成一鏡M2。電晶體1001及1〇〇2之汲極係耦接至一行線 CA ’而電晶體1003及1004之汲極係輕接至一行線CB。 於一實施例中，利用反饋之一差動放大器以控制一個維 持一定電壓於行線之電晶體可提高串疊之裝置之增益。 雙電晶體像素陣列 在一像素陣列中，可將一列選擇裝置用於選擇及隔離。 當一列選擇線被啟動時，列選擇裝置（一種金氧半場效電 晶體）由於超過一臨限電壓之閘極電壓而形成一通道，並 像開關一樣作動。當列選擇不被啟動時，裁減了通道。重 要的是要注意到一列選擇裝置不會確實完全地打開或關 閉。其只是接近開關。當閘極實質上低於列選擇電晶體之 源極時，it到良好隔離，且在不需要從不被啟動的像素輸 入的If况下可有心也5賣取具有活性列選帛之像f。關於在 像素陣列中之多數列，必須達到對每個列選擇裝置之一既 定程度之隔離。亦即，對於列選擇裝置之需求取決於列 數。 圖11顯示依據本發明之一個實施例之雙電晶體（2 T)像 素：δ所示2T像素11〇〇包括一離子感測場效電晶體 及一列選擇裝置1102。在像素11〇〇中，離子感測場效電晶 體1101之源極係轉接至一行線⑶，列選擇裝置之汲極 係麵接至-行線0，而離子感測場效電晶體之沒極係 耦接至列選擇裝置1102之源極。列選擇裝置㈣之間極係 I57328.doc £ 23· 201229506 耦接至一列線R。 離子感測場效電晶體1101與列選擇裝置11〇2兩者係顯示 為NMOS，但可能又使用其他型式之電晶體。雖然2T像素 可旎配置為共通源極讀出模式，但2Τ像素丨丨〇〇係配置為源 極隨耦器讀出模式。 圖12Α至12Η顯不依據本發明之實施例之更多的2Τ像素 組態。在這些圖中，ΒΕ•，代表「具有基體效應」，亦即， 因為基體端子係連接至類比式電源f壓或類比式接地電 壓，所以離子感測場效電晶體係具有機體效應（取決於離 子感測場效電晶體電晶體型式是否為p通道或η通道 應）。如果基體端子係連接至電晶體之源極端子，則消 除了基體效應》PR"代表「在相反位置之裝置」，亦 即在像素電路拓樸中之p通道離子感測場效電晶體及列 選擇襄置之位置已被顛倒（或轉變）。，,pNR"代表「在相反 位置之刪S/NM〇S裝置」，亦即，在像素電路拓樸中之p 通道離子感測場效電晶體及n通道列選擇|置之位置 顛倒（或轉變）。 園顯示依據本發 一 —只❿π <一禋像素。如 所不，離子感㈣場效電晶體與列 道一’其中離子感測場效電晶雜之== ====離子感測場效電…， 連接至-電流源，其提供-偏壓電流給像素。輪= Vout係從列選擇裝置之源極端子讀出。 ，電壓 157328.doc -24· 201229506 圖12B員示依據本發明之一個實施例之一種π像素。如 所不’離子感測場效電晶體與列選擇裝置SEL兩者係為 道MOS電晶體，12 、丨 ^ 电曰日锻其中離子感測場效電晶體之源極端子連接 至^體端子以消除基體效應，且亦連接至列選擇I置之沒 極端子。離子感測場效電晶體之沒極端子係連接至類比式 ㈣擇裝置之源極端子係連接至—電流源/ 其提供偏壓電流給像素。輸出電壓Vout係從列選擇裝置 之源極端子讀出。 、 圖12C顯不依據本發明之一個實施例之一種π像素。如 所不’離子感測場效電晶體與列選擇裝置肌兩者係為p通 道MOS電晶體，其中離子感測場效電晶體之沒極端子連接 至歹k擇裝置之源極端子。列選擇裝置之沒極端子係連接 至類比式接地電壓，而離子感測場效電晶體之源極端子係 連接至-電流源。輸出電壓VQut係從離子感測場效電晶體 之源極端子讀出。 圖12D顯不依據本發明之一個實施例之一種π像素。如 所不’離子感測場效電晶體與列選擇裝置肌兩者係為p通 心〇s電aa體’其中離子感測場效電晶體之沒極端子連接 至列選擇裝置之源極端子。列選擇端子之㈣係連接至類 比式接地f壓’而離子感測場效電晶體之源極端子係連接 至一電流源，其提供一偏壓電流給像素。輸出電壓v〇ut係 從離子感測場效電晶體之源極端子讀出。離子感測場效電 晶體之源極端子係連接至基體端子以消除基體效應。 圖2E,.、'員不依據本發明之一個實施例之一種2丁像素。如
S 157328.doc •25· 201229506 所不’離子感測場效電晶體與列選擇裝置sel係分別為p通 道及η通道M〇S電晶體’其中它們的源極端子連接在一 起。離子感測場效電晶體之㈣端子係連接至類比式接地 電壓，而列選擇裝置之汲極係連接至—電流源，其提供一 偏壓電流給像素。輸出電壓^係從列選擇裝置之沒極端 子讀出。 圖⑶顯㈣據本發明之—個實施例之-㈣像辛。如 所不’離子感測場效電晶體與列選擇裝置咖係分別為口通 道及Π通道M〇S電晶體’其中它們的源極端子連接在一 起。離子_場效電晶體之錄端子料接至類比式接地 電壓，而刺擇裝置之祕係連接m原，其提供一 偏壓電流給像素。輸出電av〇ut係從列選擇裝置之汲極端 子項出。離子感測場效電晶體之源極端子係連接至基體端 子以消除基體效應。 圖12G顯示依據本發明之—個實施例之―種^像素。如 所示，離子感測場效電晶體與列選擇裝置咖係分別為p通 道及η通道_電晶體’其中它們㈣極端子搞接在一 起。列選擇裝置之源極端子係連接至類以接地電壓，而 離子感騎效電晶社雜端子係連電流源，其提 供-偏壓電流給像素。輸出電壓ν〇_從離子感測場效電 日日體之源極端子讀出。 圖12Η顯示依據本發明之—個實施例之—㈣像素。如 所示’離子感測場效電晶體與列選擇裝置咖係分別為ρ通 道及η通道MOS電晶體，其中它們的没極端子耗接在一 157328.doc •26· 201229506 起歹J l擇裝置之源極端子係連接至類比式接地電壓，而 離子感測場效電晶體之源極端子係連接至-電流源，里提 供一偏壓電流給像素。輸出電壓v_係從離子感測場效電 日日體之源極端子項出。離子感測場效電晶體之源極端子係 連接至基體端子以消除基體效應。 圖13A至13D顯示依據本發明之實施例之共通源極2丁單 疋組態。在圖UA及13B中，離子感測場效電晶體盘列選 擇裝置兩者係為η通道M〇s電晶體，而在圖Μ及13〇中， ^感_效電晶體與列選擇裝置兩者係為p通道職電 晶體。 在圖13A中’離子感測場效電晶體之源極端子係連接至 類比式接地電源’而列選擇裝置之汲極端子係連接至一電 流源，其提供-偏壓電流給像素。列選擇裝置之源極端子 與離子感測場效電晶體之没極端子係連接在一起。 壓Vout係從列選擇裝置之汲極端子讀出。 在圖13”’列選擇裝置之源極端子係連接至類比式接 地電源，而離子感測場效電晶體之汲極端子係連接 流源’其提供-偏壓電流給像素。列選擇裝置之没極端子 與離子感測場效電晶體之源極端子係連接在U 壓V〇Ut係從離子感測場效電晶體之沒極端子讀出。 在圖⑼中’離子感㈣效電晶體之源極料係連接至 類比式電源電壓’而列選擇裝置之汲極端子係連接至 =源’其提供-偏壓電流給像素。列選擇裳置之源極端子 與離子感測場效電晶體之沒極端子係連接在一起。輸出電 Γ°* 157328.doc -27. 201229506 壓Vout係從列選擇裝置之汲極端子讀出。 在圖13D中，列選擇裝置之源極端子係連接至類比式電 源電壓，而離子感測場效電晶體之汲極端子係連接至一電 流源，其提供一偏壓電流給像素。離子感測場效電晶體之 源極端子與列選擇端子之汲極端子係連接在一起。輸出電 壓Vout係從離子感測場效電晶體之汲極端子讀出。 圖14A顯示依據本發明之一個實施例之一種2T像素陣 列。為了說明起見，雖然2T像素陣列1400可擴增至任何尺 寸之2T像素之陣列，但只顯示排列成兩行之八個2T像素。 每個行間距包括三條行線cb[0]、ct[0]與cb[l]。列線 rs[0]、rs[l]、rs[2]與rs[3]並聯連接至所有行。一列選擇裝 置1401RS與一離子感測場效電晶體1401IS可形成一個2T像 素，其中1401IS之源極連接至1401RS之汲極。1401RS之 源極係連接至行線cb[0]，而1401IS之汲極係連接至行線 ct[0]。1401RS之閘極係連接至列線rs[0])。此種像素係鏡 射於包括1402IS及1402RS之一像素中，其中1401IS及 1402IS之汲極連接至行線ct[0]，而1402RS之閘極連接至列 線rs[l]。包括1402IS及1402RS之像素係鏡射於包括1403IS 及1403RS之一像素中，其中1402RS及1403RS之源極連接 至列線cb[l]，而1403RS之閘極耦接至列線rs[2]。包括 140318及14031^之像素係鏡射於包括140418及1404113之一 像素中，其中1403IS及1404IS之汲極連接至列線ct[0]， 1404RS之閘極耦接至列線rs[3]，而1404RS之源極耦接至 行線cb[0]。於圖14所示之本實施例中，每一個IS裝置係為 157328.doc -28- 201229506 一離子感測場效電晶體，而每一個RS裝置係為一列選擇裝 包括由1405RS及1405IS所組成之像素、由1406RS及 1406IS所組成之像素、由1407RS及1407IS所組成之像素， 以及由1408RS及1408IS所組成之像素之右行，係以實質上 如上所述之相同的方式耦接至行線Cb[2]、ct[l]與Cb[3]。 圖14B及14C顯示依據本發明之一實施例之對於2X2之2T 像素陣列之佈局。2X2之2T像素陣列可能是像素陣列14〇〇 之一部分。圖 14B 顯示供 1401RS、1401IS ' 1402RS 及 1402IS用之多晶石夕閘極可能被置於一連續擴散層丨4丨〇之頂 4，而供1405RS、1405IS、1406RS及1406IS用之多晶石夕閘 極可此被置於一連續擴散層1412之頂端。於一實施例中’ 連續擴政層1410及1412可從像素陣列之上端延伸至像素陣 列之底部。亦即，在像素陣列中，擴散層沒有不連續。 圖14C顯示可能置放供離子感測場效電晶體14〇1IS、 1402IS 140518及1406IS用之微孔板的地方。微孔板可能 用以盛裝可能被離子感測場效電晶體所分析之分析物溶 液。如圖14C所示，於一實施例中，每個微孔板可具有六 角形形狀並像蜂巢一樣被堆疊。又，於-實施例中，接觸 部可能直接被置於閘極結構之頂端上。亦即，離子感測場 效電晶體可具有著陸在遍及薄氧化層之多晶石夕問極上之一 接觸部。 因為每個實體行之連續的擴散、共用的接觸部' 鏡射的 像素及一 ct (行頂端）線及2讣（行底部）線，所以像素陣列
157328.doc S -29- 201229506 1400具有高密度。一種全域主@ 埤主體接觸部可能藉由使用具有 p型猫晶區域之p+晶圓而實現。 像素陣列woo之設置提 — 奴供间逑刼作。列線rs[o]及rs[ij係 紅由cb[〇]及cb[l]而一起祐准 J趄破選擇並言買出。由於為單一讀出 致能之兩倍之像素數目及一遠 一 _ 逑續陣列之寄生的負載之一 半’這會導致一種4倍快的讀屮 07買出藉以允許每個行設置成 兩倍快。在一實施例中 ， 灯王丨早列劃分成一上半部及一下 半部。由於一次讀出兩倍 豕京數目（兩者皆來自上與下） 及一連續陣列之寄生的負載 只戟们 +，廷會導致另一個4倍 快的璜出時間。因此，透過單一 处、早列選擇的連續陣列速度的 總增加係為16倍。 在-實施例中，可在讀出期間同時啟動像素陣列之上及 下半部兩者。这可允許在上半部與下半部之間的讀出之多 工。舉例而言，-個半部可以做「洗掉」（例如，從遍及 像素裝置之井趕出作用物）’而另—個半部可以執行讀 出。-旦另-個半部被讀取，對於兩個半部的讀出就會被 切換。 在貫施例巾，一種2T像素設計可合併兩個化學感測電 晶體（例如，離子感測場效電晶體），而非一個化學感測電 晶體及-個列選擇裝置’如相關於圖⑴^所說明的。化 學感測電晶體或離子感測場效電晶體兩者可以是nm〇s或 PMOS裝置，並配置在__源極隨㉟器或共通源極讀出模式 中。這種2T像素之可能用途可能是在第一化學感測電晶體 對一特定分析物具有不J5]於第二化學感測f曰曰日體之靈敏 I57328.doc -30- 201229506 度，藉以允許作出一種局部及像素内差動測量。或者，化 學感測電晶體兩者對一特定分析物可具有相同靈敏度，藉 以允許作出一種局部及像素内平均測量。這些係在關於本 貫知例之電位用途之兩個例子之間，並基於在此所作之說 明，熟習本項技藝者將認定關於合併兩個化學感測電晶體 (例如，離子感測場效電晶體）之2T像素設計之其他用途。 於貫轭例中，一行電路允許多條行線被交換至一取樣 電路，以使源極側或汲極側之列選擇可在源極隨耦器模式 或共通源極模式中執行。 電容電荷泵 一個或多個電荷泵可能用以放大來自包括一個或多個電 晶體之一化學感測像素（例如上述那些）之輸出電壓。 圖15顯示依據本發明之一個實施例之一種具有雙倍的電 壓增益之電容電荷泵。一電荷泵1500可包括φ1開關15〇1、 1502、1503與1504、φ2開關1505與1506以及電容器1507與 1508。Vrefl及Vref2係被設定以獲得輸出信號之期望dc偏 移，且Vrefl及Vref2兩者係被選擇以避免在升壓階段期間 之輸出的飽和。電荷泵之運作可由時序信號所控制，而時 序信號可由一時序電路所提供。 於時間t0，斷開所有開關。 於時間tl ’導通φΐ開關1501、1502、1503與15〇4。追蹤 階段可開始。可形成一離子感測像素之一輸入電壓vin， 可開始對電容器1507與1508充電。 於時間t2 ’斷開φΐ開關1501、1502、15〇3與15〇4，且將 157328.doc •31 · 201229506 電容器1507與1508充電至Vin-Vrefl。 於時間t3 ’導通φ2開關1505與1506，同時維持斷開φΐ開 關1501、1502、1503與1504。升壓階段可開始。電容器 1507可開始經由電容器15〇8放電。因為電容器在追蹤階段 期間呈現並聯而在升壓階段期間呈現串聯，且總電容係在 升塵階段期間被減半，而總電荷維持固定，所以超過總電 容之電壓必須是兩倍，使得V〇ut幾乎是兩倍的Vin。 可使用一源極隨耦器SF以使增益電路與後級分離。 電荷泵1 500可在沒有一雜訊放大器的情況下，提供兩倍 增益，用以提供虛接地。 圖16顯示依據本發明之一實施例之一電荷泵。 於時間to，斷開所有開關。 於時間 tl ’ 導通 φΐ 開關 1501、1502、1503、1504、1601 與1602。追蹤階段可開始。可形成一離子感測像素之一輸 入電壓Vin，可開始充電電容器1507、1508與1604。 於時間 t2，斷開 φΐ 開關 1501、1502、1503、1504、1601 與1602，且將電容器1507、1508與1604充電至Vin-Vrefl 。 於時間t3，導通φ2開關1 505及1603，同時維持斷開φ 1開 關 1501、1502、1503、1504、1601 與 1 602。升壓階段可開 始。電容器1507可開始經由電容器1508及1604放電，而電 容器15 08可開始經由電容器1604放電。因為電容器在追蹤 階段期間呈現並聯而在升壓階段期間呈現串聯，且總電容 係在升壓階段期間被除以三，而總電荷維持固定，所以超 157328.doc -32- 201229506 過總電容之電壓必須是三倍，使得v〇ut幾乎是三倍的 Vin 〇 圖17顯示依據本發明之一實施例之一電荷泵之一實施 例。圖15所示之兩個電荷泵1500係串聯連接，藉以致能增 益傳遞途役及將輸入電壓Vin放大一個4的因子。 可、a加額外串聯電荷栗以更進一步增加增益。在多級電 何泵中，在級之間的電容器數值並不必須是相同大小。吾 人可觀察到由電容器所消耗之總面積係以增益之平方增 加。雖然在某些情況下，這個特徵係以面積使用率、功率 肩耗及傳輸量而言可能是不受歡迎的，但當由離子感測像 素及相關的流體雜訊所產生之總雜訊係在使用一恰當的電 容器尺寸的時機大於電荷泵KT/C雜訊時，可在沒有這些不 利條件的情況下使用電荷泵。 圖18顯示依據本發明之一實施例之一電荷泵之一實施 例。一條包括一源極隨耦器SFP及一開關之回授路徑係 加至電荷泵1500，藉以將輸出vout反饋至電荷泵之輸入。 於時間to，斷開所有開關。 於時間tl，導通一開關(psp，藉以提供—輸入電壓至 電荷泵1500之輸入。 從時間t2至時間t5，電荷泵1500操作以將輸出電壓v〇ut 推至2(Vin-Vrefl) ’如之前參考圖15所述。 從時間t6至t7，導通開關cpfb，藉以將輸出電壓2(vin_ Vrefl)反饋至電荷泵1500之輸入，並結束第—周期。 在第二周期期間，電荷泵1500將輸出電壓放大了 2
S 157328.doc -33- 201229506 (2(Vin_Vref1))。重複此過程，其中在每個周期期間將輪出 放大。 CCD式多電晶體主動像素感測器陣列 -種離子❹彳MGS電極係電荷純至料電極以促進 體之限制及關兩者。藉由於每個像素所產生並被電位阻 絕及井所限制之離散電荷包作出離子濃度之測量。離子感 測電極可作為-阻驗準或作在電荷範圍中 工作提供數個益處’包括但並未受限於：1}增加信號位準 及經由在每個像素之内的多重電荷包之累積改善信號雜訊 )MOS感測與參考結構之更好的間值匹配；y減少閃 爍雜訊；以及4)全域快照操作。 从-種洋動電極係用以谓測極接近電極之離子。電極係電 何1¾接至其他電極祐 稱接至其他電晶體，用以形成一個可 被置於一陣列中以供可絶 β 供了編址碩出用之像素。可藉由將電荷 累積至另一電極中每5 — ,'$· u 子動擴散（FD)節點之上或直接累 積幻于線上來獲得增益。理想上是可達成像素尺寸之縮小 Μ號位準的增加。為了縮小像素尺寸，可消除附屬電晶 體且可使用-種具有某些活性及非活化定序之電荷儲存節 點。 離子感測（剛積像素包括某些下述概念： 1-電極係電荷耦接至Is電極； 2.供電荷包用之載體來源(電子或電洞)； 4考電極作為.供電荷包用之—阻絕或一井； 4.-浮動擴散節點供電荷至電壓轉換； 157328.doc •34· 201229506 5·附屬電晶體為可編址讀出提供緩衝及隔離；及 6.依據此應用消除某些或所有附屬電晶體之定序。 基本IS累積像素係顯不於圖丨9中。電荷累積可局部在讀 出時發生或全域在獨立積分時間期間發生。圖19所示之實 施例係為一種三個電晶體_三個電極（3τ3Ε)像素。三個電 晶體包括-重置電晶體]^、一源極隨耦器19〇1及一列選擇 電晶體RS，而三個電極包括一電極¥8、一電極¥尺及一離 子感測電極1902。像素亦包括一傳輸閘τχ。亦可能利用 額外兀•件配置IS累積像素，以允許同時累積及讀出。這可 譬如藉由在製程增加2個或更多個電極至管線而完成。在 基本組態中，將電荷累積至浮動擴散節點上，浮動擴散節 點係連接至重置（RT)控制閘之源極。在一滾動快門操作 中’浮動擴散（FD)係被重置成CD=VDD。然後，此列被選 擇並經由被列選擇（RS)所啟動之源極隨耦器讀出。接著， 將電荷累積至FD節點上，FD節點使寄生的電容器放電。 然後採用一第二取樣。取樣之間的差異表示離子濃度。取 樣係相關聯並相當快速地即時被取走。因此，消除了讀出 電路之熱雜訊並減少了 Ι/f雜訊。為了以一種全域快門模式 操作’將所有FD節點同時重置至VDD。然後，將電荷累 積在每個隔離的FD節點上。在累積之後，藉由啟動RS閘 極選擇每個列。於行線上之信號值係利用於源極隨轉器上 之一負載Ί買出。接著’再重置並取樣像素。取樣之間的差 異表示離子濃度。Ι/f雜訊係經由雙重取樣而減少。然而， 因為重置數值終究互無關聯’所以並未消除熱重置雜訊。
S 157328.doc -35- 201229506 猎由在取樣之前遵循具有亞 ^ 重置之重置操作，可將埶 雜汛之功率減少一半。一船而士丄 竹… ^ η 。，由於電荷累積，熱雜訊 季乂於彳5旒疋低的。在其他组熊 之一 Μ脾ΑΑ 4 〜 可侍到具有全域快門 之關聯的重置機構。 基本電荷累積機構係使用表 m Α ^ 电位圖而顯不於圖20中。 因為電晶體只用來讀出，所 〇顯不電極。在每個順序 甲’增加電位指向下，苴禆盘 /、係與S知相同，以顯示包括電子 之電位井。電荷累積 、， 只 调周期係顯不於圖20A-20Q中。 首先’從在IS電極之下的诵 y从 卜的逋道移除所有電荷，而這些通道 係藉由使用一 FD上之；i;雷办a —人 之同電位而元全用盡（A)。接著，丁乂閘 極轉變成建立侷限位障之—低電位⑻。—填滿與溢出操 作係用以產生與於IS電極之離子濃度成比例的—電荷包 ()在下循J衣中，這個電荷包係被傳送至FD節點， ,、由於私子來放電。此圖顯示累積在fd節點上之電子，但 電壓實際上正在減少。在多數循環之後，> 圖20E-20Q所 不’改善了信號雜訊比且可讀出具有增益之信號。可使用 幾百至幾百萬次之循環以放大信號。 在替代實施例中，可切換電極之順序，及/或可使用ls 電極作為位障而非井。可將電晶體加至此種累積線以啟動 一大型像素陣列。附屬電晶體係用以增加速度。然而，吾 人應注意到沒有電晶體是必需用以啟動累積線之—全像素 陣列。取而代之的是，可分割一陣列，所以沒有電晶體是 必須的。在一實施例中，FD節點係連接至行線。在讀出一 像素之前，將行線重置至VDD。然後，一列係藉由將那個 157328.doc -36- 201229506 列的電荷直接累積至行線上而被選擇。在多數循環之後， 行放電至與離子濃度成正比之一數值。因為行線之電容取 決於列之總數，所以需要的累積4取決於列數。此陣列可 被分割成複數個子陣列以使時序可計量。舉例而言，每 100列可包括-局部源極隨麵器緩衝器，其係接著連接至 -全域陣列。此種階層式方法—般可與所有讀出機構一起 使用，以利用快速讀出完成大量之像素陣列。 由於載體之熱活性，無法在沒有雜訊的情況下產生電荷 包。每個填滿及溢出操作產生與KTC成比例之電荷誤差 (汗動擴散電容器中之熱雜訊），於此之C係等於離子感測 電極之面積的⑽。在填滿操作期間，電荷可自由地在 電子之源極與侷限井之間流動1而，在溢出操作期間， 此裝置進入亞閾值模式，而載體主要只朝一個方向藉由擴 政來移動’其導致一電阻式通道之熱雜訊之一半。每個電 荷包之電子的總雜訊因此係為sqrt(KTC/2)/q，於此q表示 -個電子之庫侖電荷(1.6xl〇e_19)。電子中之信號係等於 VC/q。在n個循環之後的信號雜訊比係等於vhqn (2nC/KT)。請注意，信號雜訊比改善了累積之循環數之平 方根。對小k ·5虎位準而言，累積量將受限於在vr參考電 極與離子感測電極之間的閾值失配。因為在每個像素中存 在有一參考電極且電極係電荷耦接，所以在每對電極之間 的相對閾值失配是小的。假設此種差異大約為丨mV，則超 過1000次累積循環應該是可行的’藉以改善信號雜訊比達 30倍以上。舉例而言，如果信號係為1 mV且電極面積係為
S 157328.doc •37- 201229506 1平方微米，其中Cox=5fF/umA2，則在looo個循環之後的 "is號雜比係為5 0比1。因為彳㊁號位準接著到達1 v ,所以 吾人期望沒有其他雜訊源極是相關的。為清楚起見，佔優 勢的雜訊單純地係為熟知之電荷包熱雜訊。 圖21及22顯示只具有2個電晶體之18累積像素。在讀出 一列之後藉由使用一非啟動順序而消除選擇電晶體。為了 達成非啟動，將FD節點放電，其減少FD節點之電位並使 那列之源極隨耦器禁能。圖22之像素的表面電位圖係顯示 於圖23中。 圖24顯示具有2個電晶體及4個電極之IS累積像素。這個 像素產生填滿與溢出電荷包及於相同的FD節點全部讀出。 第4個電極允許全域快門操作及關聯的雙重取樣。為了更 快讀出，如果電荷累積足夠減少1/f雜訊貢獻，則可使用單 一取樣。圖25顯示圖24之像素之基本操作之表面電位圖。 圖26顯示具有1個電晶體及3個電極之一IS累積像素。通 道可被用盡並從相同節點被提供。此種像素取決於電荷耦 合，而信號範圍係小於其他像素之信號範圍。
依據期望的操作模式可得到數個設計排列。CCD通道係 標準互補式金氧半導體技術被建構在最 可增加額外的植入以避免表面陷阱及 , 阻絕及通道可以由施體及受體雜質植入 所形成。通道可以由多重植人所構成，用以產生對操作模 式最佳的—電位輪廓。 、 圖2 7顯示三 二個電晶體（3T)主動像素感測器之一實施例。 157328.doc -38- 201229506 三個電晶體係為一重置電晶體2701、一源極隨輛器讀及 -列選擇開關2703。重置電晶體27Q1具有由—重置信號 RST所控制之一閘極、耦接至一像素之浮動擴散㈣之一 源極以及連接至-固定電壓之一没極。源極隨麵器2搬具 有連接至重置電晶體2701之源極之其閘極，以及連接至一 固定電壓之其汲極。一列選擇電晶體27〇3具有連接至一列 線之其閘極，連接至一固定電壓之其沒極以及連接至_行 之其源極。與像素交互作用之其他電極包括一傳輸間 TG、一離子選擇性電極ISE、一輸入控制閘icg以及一輪 入擴散ID。這三個元件形成電荷耦接電極，其係以相同於 圖19中之VS、VR及TX的方式操作。 圖28顯示一種3T主動像素感測器之一替代實施例。在圖 28之感測器與圖27所示之感測器之間的差異係為感測器 2800具有一第二輸入控制閘ICG2，其允許對於靠近離子感 測電極之電位阻絕之更多控制。 圖29顯示具有一種取樣及保持電路（其可以用來消除信 號變化）之一種3T主動像素感測器之一實施例。如所示， 列選擇電晶體2703之閘極係由一 RovvSelm信號所控制，而 RowSelm信號係由一列選擇移位暫存器所提供。列選擇電 晶體2703之源極係耦接至一電流槽Isink 29〇2及一行緩衝 器2903。電流槽ISink 2902可能被一電壓乂61所偏壓，而 可能是一放大器之行緩衝器可能被一電壓VB2所偏壓。 取樣及保持電路2901可包括一開關SH、一開關cal、— 電容器Csh及一放大器Amp。開關SH之輸入係耦接至行緩
S 157328.doc .ι〇. 201229506 衝器2903之輪出’而其輸出係，經由開關CAL、電容器Csh 之上。卩邛刀與放大器AmP之輸入而輕接至一電壓VREF。 大器係被電壓VB2所偏壓。放大器之輸出係耗接至一 開關29G4，其由來自_行選擇移位暫存器之一信號
ColSeln所控制。在到達輸出端子v〇ut之前，開關之輸 出係被-輸出緩衝器29〇5所緩衝。輸出緩衝器係被一電壓 VB3所偏壓。 圖3〇顯不具有一種關聯的雙取樣電路之一種3T主動像素 感測器^一實施例。在圖30之感測器與圖29之感測器之間 的最顯著的差異，係為前者使用一關聯的雙取樣電路3001 以測里來自行緩衝器29〇3之信號。在關聯的雙取樣電路 3〇01中之放大器之第—輸人，係經由-開關SH及-電容 器Cin接收行緩衝器29〇3之輸出。放大器之第二輸入接收 一參考電壓VREF ’並被電壓彻所偏壓。—重置開關謝 及一電容器Cf係與放大器併聯耦接。 圖3 1顯不用於一種四個德本 種四個像素陣列之一種2·5Τ主動像素感 測器之-實施例。每一個像素具有其本身的傳輸電晶體 TXl ΤΧ2、ΤΧ3及ΤΧ4及其本身的重置電晶體。每個傳輸 電晶體之汲極係耦接至同一像夸 4彳豕京之重置電晶體之源極，且 每個傳輸電晶體之源極_接至源極隨㈣之間極。 圖3 2顯示供一種四個德去陆^丨m 裡像素陣列用之一種〗乃丁主動像素 感測器之一實施例。每—個像素 豕I具有其本身的傳輸電晶 體。母個傳輸電晶體之源極^; ^ H ^ Γ 你耦接至同一像素之浮動擴 散，且每個傳輸電晶體之沒極係耗接至感測器之重置電晶 157328.doc -40- 201229506 體RST之沒極。 以上說明係揭露本發明之數種實施例，然而，所揭露之 内容應可涵蓋本發明之修飾及變化，另外，雖然部分操 作、元件及電路並未詳細說明，但並非用以限制本實施例 之範圍，而且雖然本說明書詳細說明特定結構及功能，但 其並非用以限制本實施例之範圍。例如，部分實施例係以 MOS為例，但熟悉遠項技術者亦可以利用pM〇s實現 之。 熟悉該項技術者可以藉由上述之說明，對本發明進行各 種變化，請可以單獨或合併實施上述之所有實施例，因 此，雖然上述之說明僅列舉部分特定之實施例，但是本發 明之實施例及/或方法並非限制於此，熟悉該項技術者可 、藉由本說明書之内容、圖示及中請專利範圍而進行任意 的修飾及改變。 “ 上述之各種實施例可以藉由硬體元件、軟體元件或其組 口加以實現’其中’硬體元件係例如為處理器 '微處理 益、電路、電路元件(如電晶體、電阻器、電容器、電感 器等）、積體電路、特定應用積體電路（ASIC)、可程式邏 輯襄置（PLD)、數位訊號處理器（Dsp)、現場可編程間陣列 (FPGA)、邏輯閉、暫存器、半導體裝置、晶片、微晶片、 晶片組等等；軟體元件係例如為程式、應用程式、電腦程 式、系統程式 '機械程式、作業系統程式、中介軟體、韌 體、軟體模組、例行程序、子程式、功能、方法、程序、 軟體介面、應用程式介面（Αρι)、指令集、計算碼、計算 157328.doc ^ 201229506 機碼、程式碼片段、計算機程式碼片段、 ::或其組合;可以藉由數種分析因子判斷執行數：:: =同=元件及/或軟體元件，例如為預期之計 =度、功率等級、熱耐受度'程序循環預算、資料輸 ::度：資料輸出速度、記憶體來源、資料匯流排速度、 及其他设S·}·或效能限制。 例如’部分實施例可以藉由電腦可讀取媒體而實現，其 係儲存有一指令或一組指令，以便在—機器上執行時，可 以使得此機器實現本實施例之方法及 4镅作，此機器叮 例如包括任一種適用之處理平台'計算 .„ 异裝置、 處理裝置、計算系統、處理系統、計算機、處理器等等， 且其亦可以藉由硬體及/或軟體之任一種適用之組合而實 現，其中，電腦可讀取媒體包括任一種適當形式之記憶單 元、記憶裝置、記憶物品、記憶媒體'健存裝^、儲存物 品、儲存媒體及/或儲存單元例如為記憶體、可移動式或 不可移動式媒體、可抹除式或不可抹除式媒體、可寫入式 或可複寫式媒體、數位或類比式媒體、硬碟、軟碟、唯讀 記憶光碟、寫入式光碟、可複寫式光碟、光碟、磁式媒 體、磁光媒體、卸除式記憶卡或記憶碟'各種數位多功能 光碟（DVD)、磁帶、卡帶等等，另外，指令可包括任一種 適用之程式碼，如原始碼、編譯碼、直譯碼、可執行碼、 靜態程式碼、動態程式碼、加密程式碼等等，其可以利用 任一種適用之高階、低階、物件導向、虛擬、編譯及/或 直#之程式語言而實現。 157328.doc • 42· 201229506 【圖式簡單說明】 圖1顯示依據本發明之一實施例之一種1 τ離子敏感像 素。 圖2顯示依據本發明之一實施例之1 τ像素之橫剖面。 圖3顯示依據本發明之一實施例之具有行讀出開關之像 ，： 素陣列之概要圖。 - 圖4顯示依據本發明之一實施例之1T像素之源極隨耗器 組態。 圖5六顯示依據本發明之一實施例之1T共通源極離子敏 感像素。 圖5B顯示依據本發明之一實施例之共通源極讀出組態中 之像素。 圖5C顯示依據本發明之一實施例之共通源極等效電路。 圖6顯示依據本發明之一實施例之具有行讀出開關之像 素陣列之概要圖。 圖7A顯示依據本發明之一實施例之丨丁共通源極像素之 橫剖面圖。 圖7B顯示依據本發明之一實施例之丨丁共通源極像素之 橫剖面圖。 ' ' 圖8顯不依據本發明之一實施例之具有串疊列選擇裝置 之共通源極像素。 圖9顯示依據本發明之一實施例之具有串疊行電路之單 一電晶體像素陣列。 圖10A及10B顯示依據本發明之一實施例之單—電晶體 157328.doc -43- 201229506 像素陣列。 圖11.4 丁依據本發明之_實施例之雙電晶體（Η)像素。 圖12A至12H顯不依據本發明之實施例之2τ像素組態。 圖13Α至13D顯示依據本發明之實施例之共通源極打單 元組態。 圖14八顯不依據本發明之一實施例之2丁像素陣列。 圖14Β及14C顯示依據本發明之—實施例之對於2χ2 2τ 像素陣列之佈局。 圖15顯不依據本發明之一實施例之電容電荷泵。 圖16顯示依據本發明之一實施例之電荷栗。 圖17顯示依據本發明之一實施例之電荷栗。 圖1 8顯示依據本發明之一實施例之電荷泉。 圖19顯示依據本發明之一實施例之基本IS累積像素。 圖20A-Q顯不依據本發明之一實施例之關於基本電荷累 積之表面電位圖。 圖21及22顯不依據本發明之一實施例之具有兩個電晶體 之IS累積像素。 圖23顯不依據本發明之一實施例之關於圖d之像素之表 面電位圖。 圖24顯不依據本發明之一實施例之具有兩個電晶體及四 個電極之IS累積像素。 圖25顯不依據本發明之一實施例之關於圖24之像素之表 面電位圖。 圖26顯不依據本發明之一實施例之具有兩個電晶體及三 157328.doc -44- 201229506 個電極之is累積像素。 圖27顯示依據本發明之—實施例之三個電晶體（3丁）主動 像素感測器。 圖28顯不3Τ主動像素感測器之替代實施例。 圖2 9顯示依據本發明之一實施例之具有取樣及保持電路 之3 Τ主動像素感測器。 圖30顯不依據本發明之一實施例之具有關聯的雙取樣電 路之3 Τ主動像素感測器。 圖3 1顯不依據本發明之一實施例之2 5丁主動像素感測器 陣列。 圖32顯不依據本發明之一實施例之ι 主動像 器陣列。 、减測 【主要元件符號說明】 100 1Τ離子像素 300 陣列 301 、 302 、 1Τ像素 303 > 304 305 行讀出開關 306 行讀出開關/行讀出電路 401 電晶體 500 像素 501 電晶體 600 陣列 601 ' 602 ' it共通源極像素
157328.doc -45- S 201229506 603 ' 604 605 行讀出開關 606 行讀出開關 801 電晶體 901 電晶體 1000 像素陣列 1001 、 1002 、 電晶體 1003 、 1004 1101 離子感測場效電晶體 1100 2T像素 1102 列選擇裝置 1401IS 離子感測場效電晶體 1401RS 列選擇裝置 1400 2T像素陣列 1410 擴散層 1412 連續擴散層 1500 電荷泵 1501 、 1502 、 φΐ開關 1503 、 1504 、 1601 、 1602 1505 、 1506 、 φ 2開關 1603 1507 ' 1508 、 電容器 1604 -46- 157328.doc 201229506 1901 源極隨耦器 1902 離子感測電極 2701 重置電晶體 2702 源極隨耦器 2703 列選擇開關/列選擇電晶體 2800 感測器 2901 取樣及保持電路 2902 電流槽ISink 2903 行缓衝器 2904 開關 2905 輸出緩衝器 3001 雙取樣電路 C、CO、Cl、 行線 CA、CB、cb、 cb[0] 、 cb[1]、 cb[2] 、 cb[3]、 ct[0]、ct[1 ]、 Ct ' ct CAL 開關 ISE 離子選擇性電極 Ml 鏡 M2 鏡 R 列線 r 列線 s 157328.doc -47- 201229506 R0、R1、R2 列線 RS 列選擇電晶體 rs[0] 、 rs[l]、 列線 rs[2] 、 rs[3] RST 重置開關 RT 重置電晶體 Sa、Sb、SH 開關 SEL 列選擇裝置 SF 源極隨耦器 SFP 源極隨耦器 157328.doc -48-

Claims (1)

  1. 201229506 七、申請專利範圍： 1· 一種化學檢測像素，包括： 唯 #電晶體，該電晶體係為-化學感測電晶體 (ChemFET)； 唯 條列線；及 唯 條行線。 2·如申請專利範圍第1項所述之化學檢測像素，其中該化 學感測電晶體係為一種具有一浮動閘極之場效電晶體。 3. 如申請專利範圍第2項所述之化學檢測像素，其中該化 ‘感測％效電晶體之没極係麵接至該列線，而該化學感 測電晶體之源極係耗接至該行線。 4. 如申請專利範圍第2項所述之化學檢測像素，其中該 ChemFET之汲極係耦接至該行線，而該ChemFET之源極 係賴接至έ亥列線。 5·如申請專利範圍第2項所述之化學檢測像素，其中該 ChemFET係以一源極隨耦器模式配置，其中該ChemFET 之汲極耦接至一固定電壓，而該ChemFET之源極係經由 一電流源而為接地，且其中該ChemFET之源極係耦接至 一輸出線。 6 · —種化學檢測像素陣列，包括： 複數個化學感測像素，每個像素包括： 唯--個電晶體，該電晶體係為一化學感測電晶體 (ChemFET);唯--條列線；及唯——條行線；及 一讀出開關， S. 157328.doc -1 - 201229506 八中》亥ChemFET係為—種具有—浮動間極之場效電晶 體且其中„亥ChemFET之沒極係相接至該列線，而該 ChemFET之源極係耦接至該行線。 7. 如中請專利第6項所述之化學檢測像素陣列，其中 該頃出開關係為一行讀出開關。 8. 如申請專利範圍第7項所述之化學檢測像素陣列，其中 δ亥行"I買出開關包括—宜 ns sa m 第一開關，用以使該陣列中之一行 的像素接地。 9. 如申請專利範圍第7項所述之化學檢測像素陣列，其中 該行讀出開關包括一第一開關，用以將該陣列中之一行 的像素預充電至一參考電壓。 10. —種化學檢測像素陣列，包括： 複數個化學感測像素，每個像素包括：唯——個電晶 體，忒電晶體係為一化學感測電晶體（chemFET);唯一 一條列線；以及唯—條行線；及 一讀出開關， 其中該ChemFET係為一種具有一浮動閘極之場效電晶 體’且其中該ChemFET之沒極係輕接至該行線，以及該 ChemFET之源極係耗接至該列線。 n .如申印專利範圍第1 〇項所述之化學檢測像素陣列，其中 该讀出開關係為一行讀出開關。 12·如申請專利範圍第1〇項所述之化學檢測像素陣列，其中 忒行_出開關包括一第一開關，用以使該陣列中之一行 的像素接地。 157328.doc 201229506 13. —種像素陣列，包括： 複數個像素，其中每個像素包括： 唯 個化學感測場效電晶體（ChemFET)，其具有 一浮動閘極以及一個耦接至一固定電壓線之源極；及 一串疊裝置，耦接至該ChemFET之汲極； 八中<»玄串邊裝置係配置成用以抵消該cheinFET之一閘 極至汲極寄生電容。 14. 如申請專利範圍第13項所述之像素陣列，其中該串疊裝 置包括一第二電晶體，其並非是一種ChemFEri^ 15. 如申請專利範圍第14項所述之像素陣列，其中該第二電 晶體具有一個耦接至一偏壓之閘極，一個耦接至該 ChemFET之汲極之源極，以及一個經由一電流源耦接至 一固定電壓線之汲極。 16 · —種像素陣列，包括： 複數個像素，其中每個像素包括： 唯 個化學感測場效電晶體（ChemFET)，其具有 一浮動閘極及一個耦接至一固定電壓線之源極；及 一串疊裝置’耦接至該像素陣列， 其中该串豐裝置係配置成用以控制該chemFET之增 益。 17.如申請專利範圍第16項所述之像素陣列，其中該串疊裝 置包括一非ChemFET電晶體，其具有： 一閘極’耦接至一偏壓線； —源極，於該像素陣列中之一行之—端耦接至該 S 157328.doc . 201229506 ChemFET之汲極；以及 一沒極’經由一電流源耦接至一固定電壓線。 18 · —種化學感測像素，包括： 唯--個化學感測電晶體；及 一選擇裝置’包括唯--個非化學感測電晶體。 19. 如申請專利範圍第18項所述之化學感測像素，其中該選 擇裝置係為一列選擇裝置》 20. 如申請專利範圍第18項所述之化學感測像素，其中該化 學感測電晶體係為一離子感測場效電晶體（ISFET)。 21 · —種化學感測像素陣列，包括： 複數個化學感測像素，每個像素包括： 唯--個化學感測場效電晶體（ChemFET);以及 一選擇裝置’包括唯--個非化學感測電晶體。 22. 如申請專利範圍第21項所述之化學感測像素陣列，其中 該複數個ChemFET共用一共通汲極。 23. 如申請專利範圍第21項所述之化學感測像素陣列，其中 該複數個ChemFET包括多對之ChemFET，且其中每對之 ChemFET共用一共通汲極。 24. 如申請專利範圍第21項所述之化學感測像素陣列，其中 該複數個ChemFET包括多對之ChemFET，且其中每對之 ChemFET共用一共通源極。 25· —種電路，包括： 一輸入線，耦接至一化學感測像素陣列； 一第一電荷泵；以及 157328.doc 4· 201229506 代、出線其中该化學感測像素陣列包括複數個化學 26. 27. 28. 29. 30. 31. 素’每個像素包括一化學感測電晶體。 明專利軏圍第25項所述之電路，其中該複數個化學 ::像素之每個像素係為一種單—電晶體像素。 叫專利軏圍第25項所述之電路，其中該複數個化學 像素之每個像素係為-種雙f晶體像素。 一種方法，包括： 化學感測像素陣列，該陣列包括 每個像素包括一化學感測電晶 將—輸入線耦接至一 複數個化學感測像素， 體；及 曰 第電荷泵於該輸入線及一輸出線之間。 申。月專利軌圍第28項所述之方法，其中該複數個化學 泛測像素之每個像素係為_種單—電晶體像素。 1申π專利$&圍第28項所述之方法，其巾該複數個化學 $ 4像素之每個像素係為__種雙電晶體像素。 電仃泵之私作方法，該電荷泵耦接至一個具有一輸 線之化予感測像素陣列，該陣列包括複數個化學感測 素每個像素包括一化學感測電晶體，該方法包括： 接受一第一相位信號； w於接又边第—相位信號，將複數個電容器連接成 為並聯組悲、’其中該複數個電容器之每一個之一個端 子係輕接至該化學感測像素陣列之該輸出線； 接受一第二相位信號； 因應於接受該第-ρ # 弟一相位k號，將該複數個電容器再連 S 157328.doc 201229506 接成為_聯組態，其中於該串聯 器之一個端子係耦接μ a 鳊之—電容 乎、耦接至該化學感測像素陣列之 線’其中位於該串聯組態之—端之—電容 ^出 未連接至任何其他之該複數個電容器。" 腳並 32.如申請專利範圍第31項所述之方法， 妹彻铱-知v '、中δ亥第一相位信 破與第一相位信號係藉由—個㈣ 路而產生。 电何泵之時序電 33· —種離子感測（IS)累積像素電路，包括： 一讀出電路； 一 IS電極； 至少兩個電極，電荷轉接至該IS電極；及 -浮動擴散節點，以供電荷至電壓轉換，1中 擴散節點係耦接至該讀出電路。 予動 34·如^專利範@第33項料之IS累積料電路， 至少兩個電極之其令-個係為-種用以作為電二 阻絕之參考電極。 °了匕的一 35.如申請專利範圍第33 E 積像素電路，中哕 至少兩個電極之其中一個係為— ”中。亥 井之參考電極。 種用以作為電荷包的一 从如申請專利範圍㈣項所述之㈣積像素電路， 凟出電路包括唯一一個電晶體，直 、" ^ ,, .. ^咕 有一個耦接至該浮 動擴政即點及一第一行線兩者之源極，以 一第二行線之沒極。 輕接至 37· 一種像素陣列，包括至少兩個1S累積像素電路，其中每 I57328.doc 201229506 個i s累積像素電路包括： 一讀出電路； 一 IS電極； 至少兩個電極，電荷耦接至該IS電極；及 一淨動擴散節點，以供電荷至電壓轉換， 其中，該浮動擴散節點係耦接至該讀出電路。 38.如申請專利範圍第37項所述之像素陣列，其中該 路包括唯一一個雷曰f g . Μ出電 … 個電曰曰體，其具有一個耦接至該浮動 郎點及—第—行線兩者之源極，以及接至-第二 行線之汲極。 士申明專利範圍第3 7項所述之像素陣列，其中該讀出電 路^括唯@個電晶體，及其中該兩個電晶體包括〆重 置電晶體及一源極隨耦器電晶體。 4〇. —種離子感測（IS)累積像素電路，包括： 一 I s電極； 至少兩個電極，電荷耦接至該18電極； 一浮動擴散節點，以供電荷至電壓轉換； 一重置電晶體，具有—個耦接至該浮動擴散節‘點之源 & ’以及~_接至-固定電壓之沒極；及 一傳輸電晶體，具有—個耦接至該重置電晶體之源極 之〉及極。 41. 一種像素陣列，包括： 至少兩個離子感測累積像素電路，每個包括： 一 IS電極； S 157328.doc 201229506 至少兩個電極’電荷耦接至該1§電極； -浮動擴散節點，以供電荷至電壓轉換； 重置電晶體，具有一個耦接至該浮動擴散節點之 源極，以及-個耗接至一固定電壓之汲極；及 傳輸電晶體’具有一個耦接至該重置電晶體之源 極一沒極； 以及 —源極隨粞器電晶體，具有接至該至少兩4 離子感測累積像素電路之源極8之閘極；及 —列選擇電晶體，目士 ， 一 體/、有一個耦接至一列線之閘極 一個輕接至該源極隨_電晶體之—源極之沒極，及一 個轉接至一行線之源極。 42. 43. 一種離子感測(IS)累積像素電路，包括： —IS電極； 至少兩個電極，電荷輕接至㈣電極； 極 —浮動擴散節點，以供電荷至電塵轉換；及 —傳輸電“，具有叫_接至該㈣擴散節點之沒 種像素陣列，包括： 至少兩個離子减測gA & 丁4而累積像素電路，每個包括： — IS電極； 至J兩個電極，Φ 电位電何耦接至該IS電極； —浮動擴散節點，以供雷# M供電何至電壓轉換；及 157 孤 doc 201229506 沒極； 傳輸電晶體，具有一個耦接至該浮動 擴散節點 之 以及 一讀出電路，包括： 晶體之沒 一重置電晶體，具有一個耦接至該傳輪電 極之源極； 一源極隨輛器電晶體，具有—個耦接至該傳輸電 體之該汲極之閘極；及 一列選擇電晶體，具有一個耦接至一列線之閘極 一個耦接至該源極隨耦器電晶體之該源極之汲極，及 個耦接至一行線之源極。 S 157328.doc
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