TWI414765B - 光感測電路單元 - Google Patents

Description

光感測電路單元

本發明有關於一種光感測器，且特別是有關於光感測電路的光感測電路單元。

現代電子裝置的設計已普遍朝向具有低耗電量的方向來發展，以因應時代趨勢。如圖1所示，圖1是傳統光感測電路單元10的電路圖。光感測電路單元10包括光感測電晶體TFT2、開關電晶體TFT1與儲存電容Cs，其中需要的信號源有第一信號源V1、第二信號源V2，以及第三信號源V3。另外，有一信號輸出線READOUT與開關電晶體TFT1的汲極耦接。由此可看出，光感測電晶體TFT2與開關電晶體TFT1的閘極需要各自獨立的信號源V2及V3以給予個別的控制信號，這樣一來將會增加信號源的使用，可能有無法減少耗電量的問題。

本發明實施例提供一種光感測電路單元。光感測電路單元由光感測電晶體、儲存電容、開關電晶體所組成，且光感測電晶體的門限電壓大於開關電晶體的門限電壓。光感測電晶體之源極耦接至第一信號源，且光感測電晶體之閘極耦接至第二信號源。儲存電容，具有兩端，其中第一端耦接至光感測電晶體之汲極，且第二端耦接至低電位點。開關電晶體之源極耦接至儲存電容之第一端以及光感測電晶體之汲極，而開關電晶體之汲極耦接至信號輸出線，且開關電晶體之閘極耦接至第二信號源。光感測電晶體用以接收光信號，並據此產生光電流。儲存電容用以儲存來自於光信號所產生的多個電荷。開關電晶體受控於第二信號，用以將儲存於儲存電容的讀取信號輸出至信號輸出線。

依據本發明的實施例，於曝光時間中，當光感測電晶體接收光信號時，第二信號源會提供寫入電壓，且寫入電壓低於光感測電晶體的門限電壓及開關電晶體的門限電壓。此時，電晶體皆處於截止狀態，且第一信號源提供偏壓，以使儲存電容儲存光感測電晶體的感應電荷。當曝光時間結束後，於讀取時間中，第二信號源會提供讀取電壓，且讀取電壓位準在光感測電晶體的門限電壓及開關電晶體的門限電壓之間。如此，開關電晶體將會處於導通狀態，且儲存電容的讀取信號會經由開關電晶體傳輸至信號輸出線。

綜上所述，本發明實施例所提供的光感測電路單元之開關電晶體與光感測電晶體的閘極共用同一個信號源，而可以減少信號源的使用，並達到省電的效果。

為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。

[光感測電路單元的實施例]

圖2是本發明實施例提供的一種光感測電路單元之電路圖。光感測電路單元20包括光感測電晶體TFT2、儲存電容Cs、開關電晶體TFT1所組成，且光感測電晶體TFT2的門限電壓Vth2大於開關電晶體TFT1的門限電壓Vth1。

復參照圖2，光感測電晶體TFT2之源極耦接至第一信號源V1，且光感測電晶體TFT2之閘極耦接至第二信號源V2。儲存電容Cs具有兩端，其中第一端耦接至光感測電晶體TFT2之汲極，且第二端耦接至低電位點。另外，開關電晶體TFT1之源極耦接至儲存電容Cs之第一端以及光感測電晶體TFT2之汲極，而開關電晶體TFT1之汲極耦接至信號輸出線READOUT，且開關電晶體TFT1之閘極耦接至第二信號源V2。

請同時參照圖2及圖3，圖3為本發明實施例之第二信號源之波形圖。當光感測電晶體接收光信號時，第二信號源V2提供寫入電壓Vwrite，且寫入電壓Vwrite低於光感測電晶體TFT2的門限電壓Vth2及開關電晶體TFT1的門限電壓Vth1。此時，電晶體皆處於截止狀態，第一信號源V1此時可以是一個固定的偏壓，而使光電流得以流入儲存電容Cs，以使儲存電容Cs儲存光感測電晶體TFT2接收光信號所產生的感應電荷。另外，第二信號源V2提供寫入電壓Vwrite的這段時間可稱為曝光時間，如圖3所示。

當曝光時間結束時，第二信號源V2提供讀取電壓Vread，且其電壓位準介於光感測電晶體TFT2的門限電壓Vth2及開關電晶體TFT1的門限電壓Vth1之間，如此開關電晶體TFT1將會處於導通狀態，而儲存電容Cs的光電信號會經由開關電晶體TFT1傳輸至信號輸出線READOUT。另外，第二信號源V2提供讀取電壓Vread的這段時間可稱為讀取時間，如圖3所示。

除此之外，需要說明的是，雖然圖3的讀取電壓Vread與寫入電壓Vwrite為固定電壓位準的電壓，但在其他種實施方式中，讀取電壓Vread與寫入電壓Vwrite亦有可能為變動電壓位準的電壓，例如為逐漸上升的電壓。總之，讀取電壓Vread與寫入電壓Vwrite的信號波形並非用以限定本發明，但寫入電壓Vwrite須低於光感測電晶體TFT2的門限電壓Vth2及開關電晶體TFT1的門限電壓Vth1，且讀取電壓Vread須介於光感測電晶體的門限電壓Vth2及開關電晶體的門限電壓Vth1之間。

另外，光感測電晶體TFT2可以為由氧化物半導體層當作通道層且亦可當作光感應層的氧化薄膜電晶體，且其氧化物半導體層為含有銦(In)、鎵(Ga)、鋅(Zn)任一種或其組合的材料。光感測電晶體TFT2之氧化物半導體層耦接至電晶體的源極與汲極。在本發明的一個實施例中，光感測電晶體TFT2之氧化物半導體層可以是銦鎵鋅氧化非晶氧化物(In-Ga-Zn-O，IGZO)薄膜電晶體。

光感測電晶體TFT2更可以具有閘極絕緣層沉積於其閘極與氧化物半導體層之間，以避免其閘極與氧化物半導體層相互接觸。光感測電晶體TFT2之閘極為含有鉬(Mo)、鉻(Cr)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鎳(Ni)任一種或其組合的材料。

開關電晶體TFT1可以為由氧化物半導體層當作通道層的氧化薄膜電晶體，且其氧化物半導體層為含有銦(In)、鎵(Ga)、鋅(Zn)任一種或其組合的材料。開關電晶體TFT1之氧化物半導體層耦接至電晶體的源極與汲極。在本發明的一個實施例中，開關電晶體TFT1之氧化物半導體層可以是銦鎵鋅氧化非晶氧化物(In-Ga-Zn-O，IGZO)薄膜電晶體。

開關電晶體TFT1更可以具有閘極絕緣層沉積於其閘極與氧化物半導體層之間，以避免其閘極與氧化物半導體層相互接觸。開關電晶體TFT1之閘極為含有鉬(Mo)、鉻(Cr)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鎳(Ni)任一種或其組合的材料。

氧化薄膜電晶體可以透過調整氧化半導體層的厚度來改變門限電壓的大小，因此上述光感測電晶體TFT2與開關電晶體TFT1才會使用氧化薄膜電晶體來實現。然而，上述光感測電晶體TFT2與開關電晶體TFT1並非得為氧化薄膜電晶體，其餘可以調整門限電壓之電晶體亦可以用以實現上述光感測電晶體TFT2與開關電晶體TFT1。

上述光感測電晶體TFT2、開關電晶體TFT1以及儲存電容Cs皆可以沉積在基板上，並且可將保護絕緣層沉積於光感測電晶體TFT2、開關電晶體TFT1上，以藉此將光感測電路單元10積體化。需要注意的是，積體化之光感測電路單元10並非用以限定本發明，本發明的感測電路單元10亦可以使用離散電路元件來實施。

[陣列式光感測器的實施例]

請參照圖4，圖4是本發明實施例所提供之一種陣列式光感測器的電路圖。陣列式光感測器40包含光感測陣列電路41、第一信號源電路42、第二信號源電路43、輸出電路44以及放大電路45。光感測陣列電路41是由多個圖2之光感測電路單元20以陣列的形式所組成的電路，第一信號源電路42用以輸出圖2之第一信號源V1給光感測陣列電路41中的光感測電路單元20，且第二信號源電路43用以輸出圖2之第二信號源V2給光感測陣列電路41中的光感測電路單元20。另外，光感測陣列電路41電路的光感測電路單元20透過信號輸出線READOUT與輸出電路44耦接。

光感測陣列電路41的每一個光感測電路單元20偵測光信號並產生光電流。光感測陣列電路41的每一個光感測電路單元20於曝光時間中，透過光電流將光信號所產生的多個電荷儲存於儲存電容Cs中。於讀取時間中，光感測陣列電路41的每一個光感測電路單元20會將儲存電容Cs所儲存的讀取信號輸出給輸出電路44。輸出電路44接收光感測陣列電路41的每一個光感測電路單元20所輸出讀取信號，並依序將每一個讀取信號輸出至放大電路45。要說明的是，陣列式光感測器40更可以具有濾波器，其用以濾除讀取信號中的雜訊，且濾波器的位置可以在放大電路45之前或之後。

請同時參照圖2至圖4，陣列式光偵測器的電路40其操作方式描述如下。首先，將光感測陣列電路41於曝光時間Texp取得入射光源的光信號，此時控制光感測陣列電路41的第一信號源電路42提供固定偏壓作為第一信號源V1，而第二信號源電路43會提供寫入電壓Vwrite作為第二信號源V2。

在曝光時間結束時，光感測電路41已將光信號儲存於以陣列形式排列在光感測陣列電路41中的儲存電容Cs，並等待讀取。接著，於讀取時間Tread中，第二信號源電路43將提供讀取電壓Vread作為第二信號源V2。同時，輸出電路44將取得儲存在光感測陣列電路41中每一個光感測單元電路20的讀取信號，且輸出電路44會可將其將每一個讀取信號依序傳送至放大電路45。最後，放大電路45會依序將放大後的讀取信號輸出。

另外，要說明的是，第二信號源電路43與第一信號源電路42所提供給每一個光感測電路單元20的第二信號源V2與第一信號源V1會有所差異，以藉此控制每一個光感測電路單元20的曝光時間與讀取時間。一般來說，光感測陣列電路41的每一列依序地曝光，待每一列都曝光完畢後，光感測陣列電路41的每一列會依序地被讀取。另外，在其他種實施方式中，光感測陣列電路41的每一列在依序曝光時，曝光中的那一列之上一列亦可以同時被讀取，以節省冗長讀取時間與重置時間。

[實施例的可能功效]

根據本發明實施例，上述的光感測電路單元將其光感測電晶體的源極耦接至第一信號源，且將其光感測電晶體的閘極與其開關電晶體的閘極耦接至第二信號源。因為光感測電路單元光之感測電晶體與開關電晶體的閘極可以使用同一個信號源，因此實施例的光感測電路單元及其光感測器可以減少信號源的使用，並達到省電的效果。

以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。

10．．．光感測電路單元

20．．．光感測電路單元

40．．．陣列式光感測器

41．．．光感測陣列電路

42．．．第一信號源電路

43．．．第二信號源電路

44．．．輸出電路

45．．．放大電路

TFT1．．．開關電晶體

Cs．．．儲存電容

TFT2．．．光感測電晶體

V1．．．第一信號源

V2．．．第二信號源

V3．．．第三信號源

READOUT．．．信號輸出線

Vth1．．．開關電晶體的門限電壓

Vth2．．．光感測電晶體的門限電壓

Vread．．．讀取電壓

Vwrite．．．寫入電壓

圖1為傳統的光感測電路單元之電路圖。

圖2為本發明實施例之光感測電路單元之電路圖。

圖3為本發明實施例之第二信號源之波形圖。

圖4為本發明實施例之陣列式光感測器之電路圖。

20．．．光感測電路單元

TFT1．．．開關電晶體

Cs．．．儲存電容

TFT2．．．光感測電晶體

V1．．．第一信號源

V2．．．第二信號源

READOUT．．．信號輸出線

Claims (10)

1. 一種光感測電路單元，包括：一光感測電晶體，具有一第一閘極、一第一源極與一第一汲極，用以接收一光信號，並據此產生一光電流，其中該第一源極耦接至一第一信號源，且該第一閘極耦接至一第二信號源；一儲存電容，具有一第一端與一第二端，用以儲存來自於該光信號所產生的多個電荷，其中該第一端耦接至該第一汲極，且該第二端耦接至一低電位點；以及一開關電晶體，具有一第二閘極、一第二源極與一第二汲極，受控於該第二信號源，用以將儲存於該儲存電容的一讀取信號輸出至一信號輸出線，其中該第二源極耦接至該第一端，該第二汲極耦接至該信號輸出線，且該第二閘極耦接至該第二信號源；其中該光感測電晶體的一門限電壓大於該開關電晶體的一門限電壓。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光感測電路單元，其中該光感測電晶體與該開關電晶體為兩個氧化薄膜電晶體，該光感測電晶體具有一第一氧化物半導體層耦合至該第一源極與該第一汲極，且該開關電晶體具有一第二氧化物半導體層耦合至該第二源極與該第二汲極。
3. 如申請專利範圍第2項所述之光感測電路單元，其中該第一與第二氧化物半導體層為含有銦(In)、鎵(Ga)、鋅(Zn)任一種或其組合的材料。
4. 如申請專利範圍第3項所述之光感測電路單元，其中該光感測電晶體與該開關電晶體為兩個銦鎵鋅氧化非晶氧化物(In-Ga-Zn-O，IGZO)薄膜電晶體。
5. 如申請專利範圍第2項所述之光感測電路單元，其中該光感測電晶體具有一第一閘極絕緣層沉積於該第一閘極與該第一氧化物半導體層之間，以避免該第一閘極與該第一氧化物半導體層相互接觸；且該開關電晶體具有一第二閘極絕緣層沉積於該第二閘極與該第二氧化物半導體層，以避免該第二閘極與該第二氧化物半導體層相互接觸。
6. 如申請專利範圍第1項所述之光感測電路單元，其中該第一與第二閘極為含有鉬(Mo)、鉻(Cr)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鎳(Ni)任一種或其組合的材料。
7. 如申請專利範圍第1項所述之光感測電路單元，更包括一基板，其中該光感測電晶體、該開關電晶體與該儲存電容沉積於該基板上。
8. 如申請專利範圍第7項所述之光感測電路單元，更包括一保護絕緣層沉積於該光感測電晶體與該開關電晶體上。
9. 如申請專利範圍第1項所述之光感測電路單元，其中於一曝光時間時，該光信號照射該光感測電晶體，該第二信號源提供一寫入電壓，且該第一信號源提供一偏壓，其中該寫入電壓低於該光感測電晶體的該門限電壓與該開關電晶體的該門限電壓，以使該光感測電晶體與該開關電晶體截止，以及使該光信號透過其產生的光電流將該些電荷送至該儲存電容儲存。
10. 如申請專利範圍第9項所述之光感測電路單元，其中於一讀取時間時，該第二信號源提供一讀取電壓，其中該讀取電壓小於該光感測電晶體的該門限電壓且大於該開關電晶體的該門限電壓，以使該光感測電晶體截止，以及使該開關電晶體導通，進而讓儲存於該儲存電容的該讀取信號被輸出至該信號輸出線。