TWI423673B - 影像感測畫素及其驅動方法 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種畫素，且特別是有關於一種影像感測畫素及其驅動方法。
請參照第1圖，第1圖繪示係為第一種傳統影像感測畫素之示意圖。傳統影像感測畫素15a用以感測X光影像。傳統影像感測畫素15a包括光二極體PD1及電晶體T。光二極體PD1例如為PIN光二極體，且光二極體PD1包括彼此並聯之光二極體本體D及等效電容Cp。光二極體PD1之陽極係耦接至偏壓線16，且偏壓線16係用以傳遞偏壓至光二極體PD1之陽極，使光二極體PD1操作於逆偏狀態。電晶體T之控制端係耦接至閘極線13。電晶體T之第一端係耦接至光二極體PD1之陰極，而電晶體T之第二端係耦接至資料線14。
電晶體T例如係為薄膜電晶體(Thin Film Transistor,TFT)，且電晶體T之控制端例如為閘極。若電流由電晶體T之第一端流向電晶體T之第二端，則電晶體T之第一端及第二端分別例如為汲極或源極。相反地，若電流由電晶體T之第二端流向電晶體T之第一端，則電晶體T之第一端及第二端分別例如為源極或汲極。
X光經螢光層轉換為可見光後，可見光照射光二極體PD1。光二極體PD1經可見光照射後，將打斷共價鍵而產生電子電洞對。電洞會往偏壓線16移動，而電子會儲存在等效電容Cp。之後資料驅動電路讀取等效電容Cp即能取得對應的影像訊號。
前述光二極體PD1之等效電容Cp之電容值等於εA/d，d表示等效電容Cp對應之上電極與下電極的距離，而A表示等效電容Cp對應之上電極與下電極的疊合面積，ε表示等效電容Cp對應之介電係數。光二極體PD1之等效電容Cp之電容值受制於光二極體PD1之光轉換效率，若疊合面積A越大則光轉換效率越好。因此等效電容Cp之電容值不能太小，等效電容Cp之電容值太小將會造成資料驅動電路讀取等效電容Cp時，等效電容Cp輸出的電子數變少。為了確保等效電容Cp輸出的足夠電子數，所以等效電容Cp必須設計較大的電容值。如此一來，電阻電容延遲(RC Delay)的瓶頸(Bottleneck)即落在等效電容Cp上。其中，電阻電容延遲所指的電阻即為電晶體T之導通電阻，而電阻電容延遲所指的電容即為等效電容Cp。
請參照第2圖，第2圖繪示係為第二種傳統影像感測畫素之示意圖。傳統影像感測畫素15b包括光二極體PD2及電晶體T。光二極體PD2例如為MIS光二極體，且光二極體PD2包括彼此串聯之光二極體本體D及等效電容C。光二極體PD2之陰極係耦接至偏壓線16，且偏壓線16係用以傳遞偏壓至光二極體PD2之陰極，並使光二極體PD2操作於逆偏狀態。電晶體T之控制端係耦接至閘極線13。電晶體T之第一端係耦接至光二極體PD2之陽極，而電晶體T之第二端係耦接至資料線14。相似地，等效電容C也必須設計較大的電容值。如此一來，電阻電容延遲的瓶頸(Bottleneck)即落在等效電容C上。
然而，若要感測動態物件，每秒至少要讀取30個畫面。而傳統影像感測畫素由於等效電容Cp或等效電容C之電容值較大，因此讀取速度會受限於傳統影像感測畫素的電阻電容延遲(RC Delay)而不適用於感測動態物件。
本發明係有關於一種影像感測畫素及其驅動方法，係於感測動態物件時串聯感測電容以提升讀取速度。
根據本發明，提出一種影像感測畫素。影像感測畫素包括光二極體(Photodiode)、感測電容、靜態電晶體及動態電晶體。光二極體之第一端係耦接至偏壓線。靜態電晶體之控制端係耦接至靜態閘極線，靜態電晶體之第一端係耦接至感測電容之第一端及光二極體之第二端。動態電晶體之控制端係耦接至動態閘極線，且動態電晶體之第一端係耦接至感測電容之第二端。
根據本發明，提出一種影像感測畫素之驅動方法。影像感測畫素包括光二極體(Photodiode)、感測電容、靜態電晶體及動態電晶體。驅動方法包括：致能靜態閘極線及動態閘極線以初始化感測電容之第一端及第二端的電位。靜態閘極線耦接至靜態電晶體之控制端，動態閘極線耦接至動態電晶體之控制端，光二極體之第一端係耦接至偏壓線，靜態電晶體之第一端係耦接至感測電容之第一端及光二極體之第二端，動態電晶體之第一端係耦接至該感測電容之第二端；除能靜態閘極線及動態閘極線並照光光二極體；以及除能靜態閘極線並致能動態閘極線以經由動態電晶體及感測電容讀取光二極體。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
請同時參照第3圖及第4圖，第3圖繪示係為依照本發明第一實施例之影像感測器之示意圖，第4圖繪示係為依照本發明第一實施例之影像感測畫素之示意圖。影像感測器3例如用以感測X光，且影像感測器3包括靜態閘極驅動電路31a、動態閘極驅動電路31b、靜態資料驅動電路32a、動態資料驅動電路32b及影像感測面板35。影像感測面板35包括靜態閘極線33a、動態閘極線33b、靜態資料線34a、動態資料線34b及影像感測畫素35a。靜態閘極驅動電路31a用以提供靜態閘極驅動訊號Gs至靜態閘極線33a，而動態閘極驅動電路31b用以提供動態閘極驅動訊號Gd至動態閘極線33b。
影像感測畫素35a包括光二極體PD3、感測電容Cr、靜態電晶體Ts及動態電晶體Td。靜態電晶體Ts及動態電晶體Td例如係為薄膜電晶體(Thin Film Transistor,TFT)，且靜態電晶體Ts及動態電晶體Td之控制端例如為閘極。若電流由靜態電晶體Ts之第一端流向靜態電晶體Ts之第二端，則靜態電晶體Ts之第一端及第二端分別例如為汲極或源極。相反地，若電流由靜態電晶體Ts之第二端流向靜態電晶體Ts之第一端，則靜態電晶體Ts之第一端及第二端分別例如為源極或汲極。
若電流由動態電晶體Td之第一端流向動態電晶體Td之第二端，則動態電晶體Td之第一端及第二端分別例如為汲極或源極。相反地，若電流由動態電晶體Td之第二端流向動態電晶體Td之第一端，則動態電晶體Td之第一端及第二端分別例如為源極或汲極。
光二極體PD3例如為PIN光二極體或MIS光二極體。為方便說明起見，下述實施例係以PIN光二極體為例說明。然本發明並不侷限於此，光二極體PD3亦可由MIS光二極體實現。光二極體PD3包括彼此並聯之光二極體本體D及等效電容Cp。其中，感測電容Cr小於等效電容Cp。靜態電晶體Ts之控制端係耦接至對應之靜態閘極線33a，以受控於靜態閘極驅動訊號Gs。靜態電晶體Ts之第一端係耦接至感測電容Cr之一端及光二極體PD3之第二端，且靜態電晶體Ts之第二端耦接至對應之靜態資料線34a。動態電晶體Td之控制端係耦接至對應之動態閘極線33b，以受控於動態閘極驅動訊號Gd。動態電晶體Td之第一端係耦接至感測電容Cr之另一端，且動態電晶體Td之第二端耦接至對應之動態資料線34b。光二極體PD3之第一端係耦接至偏壓線36，且偏壓線36用以傳遞一偏壓至光二極體PD3之第一端，使得光二極體PD3操作在逆偏狀態下。於第一實施例中，光二極體PD3之第一端係為陽極，而光二極體PD3之第二端係為陰極。
請同時參照第5圖、第6圖及第7圖，第5圖繪示係為感測靜態物件時之靜態閘極驅動訊號及動態閘極驅動訊號之波形圖，第6圖繪示係為感測靜態物件之驅動方法之流程圖，第7圖繪示係為螢光層與光二極體之示意圖。驅動方法能應用於前述影像感測器3。當感測靜態物件時，驅動方法包括如下步驟。首先如步驟61所示，靜態閘極驅動電路31a及動態閘極驅動電路31b分別於初始化時段t1致能(Enable)靜態閘極線33a及動態閘極線33b以初始化感測電容Cr之第一端及第二端的電位。
接著如步驟62所示，靜態閘極驅動電路31a及動態閘極驅動電路31b分別於照光時段t2除能(Disable)靜態閘極線33a及動態閘極線33b並照光光二極體PD3。進一步來說，前述影像感測面板35上例如係鍍有螢光層39，而螢光層39例如係由重金屬組成。螢光層39用以將X光L1轉換為可見光L2。可見光L2照光光二極體PD3，使得光二極體PD3於照光時段t2產生電子電洞對。電洞會往偏壓線36移動，而電子會儲存在等效電容Cp。
然後如步驟63所示，靜態閘極驅動電路31a於讀取時段t3致能靜態閘極線33a且動態閘極驅動電路31b於讀取時段t3除能動態閘極線33b以經由靜態電晶體Td讀取光二極體PD3中等效電容Cp所儲存的電子。等效電容Cp所儲存的電子代表一影像訊號，且照光時段t2係於初始化時段t1及讀取時段t3之間。由於於t3時段感測電容Cr的第二端電位為漂浮狀態(Floating)，因此靜態資料驅動電路32a讀取等效電容Cp時，係不考慮感測電容Cr。由於等效電容Cp的電容值較高，因此可讀取的影像訊號也較大。
請同時參照第8圖及第9圖，第8圖繪示係為感測動態物件時之靜態閘極驅動訊號及動態閘極驅動訊號之波形圖，第9圖繪示係為感測動態物件之驅動方法之流程圖。當感測動態物件時，驅動方法包括如下步驟。首先如步驟91所示，靜態閘極驅動電路31a及動態閘極驅動電路31b分別於初始化時段t1致能(Enable)靜態閘極線33a及動態閘極線33b以初始化感測電容Cr之第一端及第二端的電位。
接著如步驟92所示，靜態閘極驅動電路31a及動態閘極驅動電路31b分別於照光時段t2除能(Disable)靜態閘極線33a及動態閘極線33b並照光光二極體PD3。進一步來說，前述影像感測面板35上例如係鍍有螢光層39，而螢光層39例如係由重金屬組成。螢光層39用以將X光L1轉換為可見光L2。可見光L2照光光二極體PD3，使得光二極體PD3於照光時段t2產生電子電洞對。電洞會往偏壓線36移動，而電子會儲存在等效電容Cp。
然後如步驟93所示，靜態閘極驅動電路31a除能靜態閘極線33a並致能動態閘極線33b以經由動態電晶體Td及感測電容Cr讀取光二極體PD3中等效電容Cp所儲存的訊號。由於當感測動態物件時，感測電容Cr係與光二極體PD3中的等效電容Cp串聯，整體電容會因Cr與Cp串聯而下降，因此讀取訊號時，電阻電容延遲(RC delay)會因整體電容的下降進而提升影像感測器3的讀取速度。
請同時參照第10圖及第11圖，第10圖繪示係為依照本發明第一實施例之影像感測畫素之電路佈局圖，第11圖繪示係為沿剖面線AA’之剖面圖。靜態閘極線33a及動態閘極線33b係形成於基板83上。靜態電晶體Ts之第一端81經接觸孔H1與金屬層38電性連接，而偏壓線36經接觸孔H2電性連接至透明電極37。透明電極37連接至光二極體PD3之N+型半導體材料，而光二極體PD3之P+型半導體材料連接至金屬層38。非晶矽材料a-Si係位於N+型半導體材料與P+型半導體材料之間。部份金屬層38與動態電晶體Td之第一端疊合處係形成感測電容Cr。
請參照第12圖，第12圖繪示係為依照本發明第二實施例之影像感測畫素之示意圖。影像感測畫素35b與影像感測畫素35a主要不同之處在於：於第二實施例中，光二極體PD3之第一端係為陰極，而光二極體PD3之第二端係為陽極。亦即，影像感測畫素35b之光二極體PD3之陽極係耦接至偏壓線36，光二極體之陰極係耦接至感測電容Cr之一端。
請同時參照第13圖及第14圖，第13圖繪示係為依照本發明第三實施例之影像感測器之示意圖，第14圖繪示係為依照本發明第三實施例之影像感測畫素之示意圖。影像感測器10與影像感測器3主要不同之處在於靜態資料驅動電路32a及動態資料驅動電路32b於影像感測器10中係以資料驅動電路32取代，而靜態資料線34a及動態資料線34b於影像感測器10中係以資料線34取代。影像感測面板35係以影像感測面板45取代，而影像感測畫素35a於影像感測器10中係以影像感測畫素35c取代。影像感測畫素35c與影像感測畫素35a主要不同之處在於靜態電晶體Ts及動態電晶體Td之第二端皆耦接至對應之資料線34。如此一來，能進一步地減少資料線的使用數量及資料驅動電路的使用個數。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
3、10．．．影像感測器
13．．．閘極線
14、34．．．資料線
15a、15b．．．傳統影像感測畫素
16、36．．．偏壓線
31a．．．靜態閘極驅動電路
31b．．．動態閘極驅動電路
32a．．．靜態資料驅動電路
32b．．．動態資料驅動電路
33a．．．靜態閘極線
33b．．．動態閘極線
34a．．．靜態資料線
34b．．．動態資料線
35．．．影像感測面板
35a、35b、35c．．．影像感測畫素
37．．．透明電極
38．．．金屬層
39．．．螢光層
61～63、91～93．．．步驟
81．．．靜態電晶體之第一端
82．．．動態電晶體之第一端
83．．．基板
AA’．．．剖面線
Cr．．．感測電容
Cp、C．．．等效電容
D．．．二極體本體
Gs．．．靜態閘極驅動訊號
Gd．．．動態閘極驅動訊號
H1、H2．．．接觸孔
PD1、PD2、PD3．．．光二極體
T．．．電晶體
Ts．．．靜態電晶體
Td．．．動態電晶體
t1．．．初始化時段
t2．．．照光時段
t3．．．讀取時段
第1圖繪示係為第一種傳統影像感測畫素之示意圖。
第2圖繪示係為第二種傳統影像感測畫素之示意圖。
第3圖繪示係為依照本發明第一實施例之影像感測器之示意圖。
第4圖繪示係為依照本發明第一實施例之影像感測畫素之示意圖。
第5圖繪示係為感測靜態物件時之靜態閘極驅動訊號及動態閘極驅動訊號之波形圖。
第6圖繪示係為感測靜態物件之驅動方法之流程圖。
第7圖繪示係為螢光層與光二極體之示意圖。
第8圖繪示係為感測動態物件時之靜態閘極驅動訊號及動態閘極驅動訊號之波形圖。
第9圖繪示係為感測動態物件之驅動方法之流程圖。
第10圖繪示係為依照本發明第一實施例之影像感測畫素之電路佈局圖。
第11圖繪示係為沿剖面線AA’之剖面圖。
第12圖繪示係為依照本發明第二實施例之影像感測畫素之示意圖。
第13圖繪示係為依照本發明第三實施例之影像感測器之示意圖。
第14圖繪示係為依照本發明第三實施例之影像感測畫素之示意圖。
33a．．．靜態閘極線
33b．．．動態閘極線
34a．．．靜態資料線
34b．．．動態資料線
35a．．．影像感測畫素
36．．．偏壓線
Cr．．．感測電容
Cp．．．等效電容
D．．．二極體本體
Gs．．．靜態閘極驅動訊號
Gd．．．動態閘極驅動訊號
PD3．．．光二極體
Ts．．．靜態電晶體
Td．．．動態電晶體
Claims (19)
- 一種影像感測畫素，包括：一光二極體(Photodiode)，該光二極體之第一端係耦接至一偏壓線；一感測電容；一靜態電晶體，該靜態電晶體之控制端係耦接至一靜態閘極線，該靜態電晶體之第一端係耦接至該感測電容之第一端及該光二極體之第二端；以及一動態電晶體，該動態電晶體之控制端係耦接至一動態閘極線，該動態電晶體之第一端係耦接至該感測電容之第二端。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像感測畫素，其中該靜態電晶體之第二端耦接至一靜態資料線，該動態電晶體之第二端耦接至一動態資料線。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像感測畫素，其中該靜態電晶體之第二端及該動態電晶體之第二端耦接至一資料線。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像感測畫素，其中該光二極體之第一端係為陽極，該光二極體之第二端係為陰極。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像感測畫素，其中該光二極體之第一端係為陰極，該光二極體之第二端係為陽極。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像感測畫素，其中當感測靜態物件時，該靜態電晶體及該動態電晶體於一初始化時段被致能，該靜態電晶體及該動態電晶體於一照光時段被除能，該靜態電晶體及該動態電晶體分別於一讀取時段被致能及除能，該照光時段係於該初始化時段及該讀取時段之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像感測畫素，其中當感測動態物件時，該靜態電晶體及該動態電晶體於一初始化時段被致能，該靜態電晶體及該動態電晶體於一照光時段被除能，該靜態電晶體及該動態電晶體分別於一讀取時段被除能及致能，該照光時段係於該初始化時段及該讀取時段之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像感測畫素，其中該感測電容係小於該光二極體之等效電容。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像感測畫素，其中該光二極體係為PIN光二極體。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像感測畫素，其中該光二極體係為MIS光二極體。
- 一種影像感測畫素之驅動方法，該影像感測畫素包括一光二極體(Photodiode)、一感測電容、一靜態電晶體及一動態電晶體，該驅動方法包括：致能一靜態閘極線及一動態閘極線以初始化該感測電容之第一端及第二端的電位，該靜態閘極線耦接至該靜態電晶體之控制端，該動態閘極線耦接至該動態電晶體之控制端，該光二極體之第一端係耦接至一偏壓線，該靜態電晶體之第一端係耦接至該感測電容之第一端及該光二極體之第二端，該動態電晶體之第一端係耦接至該感測電容之第二端；除能該靜態閘極線及該動態閘極線並照光該光二極體；以及除能該靜態閘極線並致能該動態閘極線以經由該動態電晶體及該感測電容讀取該光二極體。
- 如申請專利範圍第11項所述之驅動方法，包括：致能該靜態閘極線並除能該動態閘極線以經由該靜態電晶體讀取該光二極體。
- 如申請專利範圍第11項所述之驅動方法，其中該靜態電晶體之第二端耦接至一靜態資料線，該動態電晶體之第二端耦接至一動態資料線。
- 如申請專利範圍第11項所述之驅動方法，其中該靜態電晶體之第二端及該動態電晶體之第二端耦接至一資料線。
- 如申請專利範圍第11項所述之驅動方法，其中該光二極體之第一端係為陽極，該光二極體之第二端係為陰極。
- 如申請專利範圍第11項所述之驅動方法，其中該光二極體之第一端係為陰極，該光二極體之第二端係為陽極。
- 如申請專利範圍第11項所述之驅動方法，其中該感測電容係小於該光二極體之等效電容。
- 如申請專利範圍第11項所述之驅動方法，其中該光二極體係為PIN光二極體。
- 如申請專利範圍第11項所述之驅動方法，其中該光二極體係為MIS光二極體。
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