TWI486563B - 光感測器及其光電晶體的驅動方法 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種感測器及其元件的驅動方法，且特別是有關於一種光感測器及其光電晶體的驅動方法。
普遍常見的光感測器之實施方式為光二極體或光電晶體。然而，光二極體雖然具有反應快速的特點但卻無法提供良好的訊號對比。反之，光電晶體雖反應遲緩但卻具有可觀的靈敏度(Responsibility)。具體而言，光電晶體在照光後會在通道內產生大量的載子，即電子或電洞，然而一般光電晶體主動層內由照光所產生的超量載子(excess carrier)在光照後並不會立即消失，而是會停留一段相當的時間，如此便無法在短時間內進行下一次的感應，光靈敏度雖高，卻不切實用。因此，一般光電晶體由於沒有使光激發載子快速消失的機制，故雖擁有可觀的光靈敏度卻反應遲緩。是以，如果可以在光電晶體的操作上，引入一個可以讓超量載子快速消滅的機制，就可以在照光之後快速去除殘留的光激發載子而達成即時(real-time)感測的效果。
本發明提供一種光感測器，其光電晶體反應快速並同時保有良好的光靈敏度，可達成即時感測的效果。
本發明提供一種光電晶體的驅動方法，其可使光感測器的光電晶體反應快速並同時保有良好的光靈敏度，可達成即時感測的效果。
本發明提供一種光感測器，其包括一光電晶體。光電晶體之閘極用以接收一閘極驅動訊號，並且光電晶體根據閘極驅動訊號來感測一光源，以產生一光電流訊號。閘極驅動訊號在一捕捉期間具有一第一電壓準位，在一讀取期間具有一第二電壓準位，並且光電晶體包括一金屬氧化物主動層。
在本發明之一實施例中，上述之閘極驅動訊號在一感應期間具有一第三電壓準位。
在本發明之一實施例中，上述之光電晶體之汲極在讀取期間用以接收一汲極驅動訊號。汲極驅動訊號在讀取期間具有第四電壓準位。
在本發明之一實施例中，上述之光電晶體之汲極在非讀取期間用以接收汲極驅動訊號。汲極驅動訊號在非讀取期間具有第五電壓準位。第五電壓準位低於第四電壓準位。
在本發明之一實施例中，上述之光電晶體之源極用以接收一源極驅動訊號。源極驅動訊號具有第五電壓準位。
本發明提供一種光電晶體的驅動方法，其包括如下步驟。在一捕捉期間，施加一閘極驅動訊號至光電晶體的閘極，其中閘極驅動訊號具有一第一電壓準位。在一讀取期間，施加閘極驅動訊號至光電晶體的閘極，其中閘極驅動訊號具有一第二電壓準位。光電晶體根據閘極驅動訊號來
感測一光源，以產生一光電流訊號，並且光電晶體包括一金屬氧化物主動層。
在本發明之一實施例中，上述之第一電壓準位高於第二電壓準位。
在本發明之一實施例中，上述之讀取期間與捕捉期間在時序上交錯排列。
在本發明之一實施例中，上述之光電晶體的驅動方法更包括在一感應期間，施加閘極驅動訊號至光電晶體的閘極，其中閘極驅動訊號具有一第三電壓準位。
在本發明之一實施例中，上述之第二電壓準位高於第三電壓準位。
在本發明之一實施例中，上述之閘極驅動訊號的一個週期包括感應期間、讀取期間及捕捉期間，且三者在週期內依序排列。
在本發明之一實施例中，上述之光電晶體的驅動方法更包括在讀取期間，施加一汲極驅動訊號至光電晶體的汲極。汲極驅動訊號具有第四電壓準位。
在本發明之一實施例中，上述之光電晶體的驅動方法更包括在非讀取期間，施加汲極驅動訊號至光電晶體的汲極。汲極驅動訊號具有第五電壓準位。第五電壓準位低於第四電壓準位。
在本發明之一實施例中，上述之光電晶體的驅動方法更包括施加一源極驅動訊號至光電晶體的源極。源極驅動訊號具有第五電壓準位。
在本發明之一實施例中，上述之閘極驅動訊號之頻率大於光源之照光頻率。
基於上述，在本發明之範例實施例中，光電晶體的閘極驅動訊號在操作上引入一個可以讓超量載子快速消滅的機制，因此光電晶體反應快速並同時保有良好的光靈敏度。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
要如何消除光電晶體的超量載子即為本揭露的重要概念其中之一，本揭露提出利用光電晶體本身的缺陷(defect)來捕捉在主動層中因照光所產生的超量載子。
圖1繪示本發明一實施例之光電晶體的概要示意圖。請參考圖1，本實施例之光電晶體100至少包括閘極110、源極120、汲極130、主動層140及介電層150等結構，如圖1所示。在本實施例中，主動層140的材料包括金屬氧化物半導體，例如氧化銦鎵鋅(Indium Gallium Zinc Oxide，IGZO)或氧化鉿銦鋅(Hafnium Indium Zinc Oxide、HIZO)，但本發明並不加以限制，圖1中所標示的材料及其厚度僅用以例示說明。
圖2繪示圖1實施例之光電晶體的電性示意圖。請參考圖1及圖2，圖2所繪示者例如是一n型通道(n-channel)金屬氧化物電晶體之電氣特性，其呈現出記憶體之特質。在本實施例中，光電晶體100照光後其電性曲線會左移，
即圖2中的曲線(2)與曲線(4)。在光電晶體100的閘極110施加正電壓會讓其電性曲線右移，即圖2中的曲線(1)與曲線(3)。曲線右移代表在主動層140中因照光所產生的超量載子被捕捉(trap)，而捕捉電子的機構即為主動層140或主動層140與介電層150介面之缺陷。利用缺陷來快速消滅超量載子可使光電晶體100具備即時感應的機制。以金屬氧化物半導體來說，其具有相當可觀的缺陷。
應注意的是，本揭露的驅動方法可廣泛地應用在任何常見的光電晶體結構，並不需要特別的機構設計，且不限於圖1所揭示的光電晶體，也不限於具有圖2的電氣特性之光電晶體。為更清楚地瞭解本發明，以下將配合圖式，以至少一範例實施例來詳細說明光電晶體的操作方式。
圖3繪示本發明一實施例之光電晶體的各驅動訊號的概要波形圖。請參考圖1及圖3，本實施例之電壓訊號VG為施加於光電晶體100的閘極110之驅動訊號，其在捕捉期間T1具有第一電壓準位V1，在讀取期間T2具有第二電壓準位V2。並且，第一電壓準位V1高於第二電壓準位V2。在此例中，第一電壓準位V1例如是10伏特，第二電壓準位V2例如是0伏特，但本發明並不加以限制。在實際應用上，至少為了配合驅動訊號VG，本實施例亦同時針對光電晶體100的汲極130及源極120的作動方式加以設定。在本實施例中，光電晶體100之汲極130用以接收汲極驅動訊號VD。在讀取期間T2，汲極驅動訊號VD具有第四電壓準位V4，其準位根據實際設計需求，可實質上
與第一電壓準位V1相同或不相同。在非讀取期間，汲極驅動訊號VD具有第五電壓準位V5，其準位根據實際設計需求，可實質上與第二電壓準位V2相同或不相同。此處的非讀取期間包括捕捉期間T1。另外，本實施例之光電晶體100的源極120用以接收源極驅動訊號VS。無論在捕捉期間T1或讀取期間T2源極驅動訊號VS的準位實質上都是等於第五電壓準位V5。
在圖3中，光源在照光期間TL處於高準位代表光電晶體100被照光。在本實施例中，主動層140或其與介電層150介面之缺陷在照光期間TL並不會發生捕捉超量載子的行為。也就是說，所述缺陷在照光期間TL並不阻礙超量載子的生成，只在非照光期間TLB才開始作用。因照光所產生的超量載子在光源移除後會被所述缺陷快速捕捉而失去移動力，而被捕捉的超量載子在照光再次執行時，會被釋放出來。亦即是在照光期間TL，所述缺陷不作用。
所以當一連串接續的亮態及暗態發生時，光電晶體100內的超量載子將連續的被活化及凍結，以表現出即時性的作動。在本實施例中，光電晶體100之缺陷產生捕捉超量載子的行為是在其閘極施加第一電壓準位V1的情況下，因此施加正閘極偏壓的同時，光電晶體100的通道內會注入大量的電子，此時並不適合讀取訊號，因為所述通道此時混合超量載子及正閘極偏壓所引入的電子，故施加正閘極偏壓期間之外的時間點，即在讀取期間T2所截取到的訊號才是正確的。因此，本實施例的閘極驅動訊號VG
之電壓準位係呈現週期性的變化，在時序上設定為讀取期間T2與捕捉期間T1交錯排列。應注意的是，讀取期間T2與捕捉期間T1的責任週期(duty cycle)並不用以限定本發明，在此處係以1：1作為例示說明。捕捉期間T1閘極偏壓為相對大的正電壓，而讀取期間T2閘極偏壓則可設定在0V左右。閘極驅動訊號VG的頻率基本上決定了光感應的速度，惟閘極驅動訊號VG的週期必須短於照光期間TL才能做出即時性的反應。如圖3所示，在照光期間TL，光電晶體100根據閘極驅動訊號VG來感測光源以產生光電流訊號ID，此處的光電流訊號例如是指光電晶體100的汲極電流ID。當光電晶體100受光照射時，在照光期間TL汲極電流ID將為振盪模式，其具有與閘極驅動訊號VG相同的變化週期，此時光強度訊號即為汲極電流ID之振幅，其值例如為I1。
圖4繪示主動層材料為氧化銦鎵鋅的光電晶體實際的操作電性圖，利用圖3的訊號來驅動此類光電晶體，其汲極電流對光不但有即時的反應，而且亮態與暗態之訊號比高達1萬倍。
總結來說，圖5繪示本發明一實施例之光電晶體的驅動方法流程圖。請參考圖5，本實施例之光感測器例如包括圖1的光電晶體，此驅動方法包括如下步驟。首先，在步驟S500中，在讀取期間T2，分別施加第二電壓準位V2的閘極驅動訊號VG、第四電壓準位V4的汲極驅動訊號VD及第五電壓準位V5的源極驅動訊號VS至光電晶體
100的閘極110、汲極130及源極120。接著，在步驟S510中，在捕捉期間T1，分別施加第一電壓準位V1的閘極驅動訊號VG、第五電壓準位V5的汲極驅動訊號VD及第五電壓準位V5的源極驅動訊號VS至光電晶體100的閘極110、汲極130及源極120。因此，光電晶體100可根據該等驅動訊號來感測光源，以產生光電流訊號ID。應注意的是，此驅動方法的步驟S510也可先於步驟S500執行，兩者的順序並不用以限定本發明。
另外，本發明之實施例的光電晶體的驅動方法可以由圖1至圖4實施例之敘述中獲致足夠的教示、建議與實施說明，因此不再贅述。
圖6繪示本發明另一實施例之光電晶體的各驅動訊號的概要波形圖。請參考圖1及圖6，本實施例之各驅動訊號類似於圖3，惟兩者之間主要的差異例如在於圖6的閘極驅動訊號VG更包括一感應期間T3，在此期間內閘極驅動訊號VG具有一第三電壓準位V3，其例如為一負電壓值，詳細說明如下。
在本實施例中，閘極驅動訊號VG的一個週期包括感應期間T3、讀取期間T2及捕捉期間T1，且三者在每個週期內依序排列，惟三者的排列順序及責任週期並不用以限定本發明。本實施例之閘極驅動訊號VG在感應期間T3、讀取期間T2及捕捉期間T1分別具有第一電壓準位V1、第二電壓準位V2及第三電壓準位V3，其電壓準位值的其中一種實施態樣例如是V1=30伏特、V2=0伏特、V3=-10
伏特，惟本發明並不加以限制。
類似於圖3的實施例，本實施例亦同時針對光電晶體100的汲極130及源極120的作動方式加以設定。在本實施例中，在讀取期間T2，汲極驅動訊號VD的準位實質上等於第四電壓準位V4，在非讀取期間汲極驅動訊號VD的準位實質上等於第五電壓準位V5。此處的非讀取期間包括感應期間T3及捕捉期間T1。另外，在本實施例中，無論是捕捉期間T1或讀取期間T2，源極驅動訊號VS的準位實質上都是等於第五電壓準位V5。
以金屬氧化物電晶體來說，施加負閘極偏壓伴隨照光會造成電洞在主動層140與介電層150之介面被捕捉，電洞被捕捉的結果是在同一個閘極電壓下吸引更多的電子。也就是說，施加負閘極偏壓會造成更多的超量載子，而這些超量載子同樣可在暗態下被缺陷捕捉。所以本實施例以在圖3的讀取期間T2及捕捉期間T1架構中再安插一個感應期間T3，使閘極驅動訊號VG的一個週期包括感應期間T3、讀取期間T2及捕捉期間T1。在感應期間T3，閘極偏壓為相對大的負電壓，在讀取期間T2，閘極偏壓則可設定在0V左右，而在捕捉期間T1，閘極偏壓為相對大的正電壓。
在本實施例中，光電晶體100根據閘極驅動訊號VG來感測光源以產生光電流訊號ID，此處的光電流訊號例如是指光電晶體100的汲極電流ID。當光電晶體100受光照射時，在照光期間TL汲極電流ID將為振盪模式，其具有
與閘極驅動訊號VG相同的變化週期，此時光強度訊號即為汲極電流ID之振幅，其值例如為I2。相較於圖3的實施例，由於本實施之閘極驅動訊號VG更包括感應期間T3，因此汲極電流ID之振幅I2相較I1為大。
圖7繪示主動層材料為氧化銦鎵鋅的光電晶體實際的操作電性圖，利用圖6的訊號來驅動此類光電晶體，其汲極電流對光不但有即時的反應，而且亮態與暗態之訊號比高達10萬倍。
總結來說，圖8繪示本發明另一實施例之光電晶體的驅動方法流程圖。請參考圖8，本實施例之光感測器例如包括圖1的光電晶體，此驅動方法包括如下步驟。首先，在步驟S800中，感應期間T3，分別施加第三電壓準位V3的閘極驅動訊號VG、第五電壓準位V5的汲極驅動訊號VD及第五電壓準位V5的源極驅動訊號VS至光電晶體100的閘極110、汲極130及源極120。接著，在步驟S810中，在讀取期間T2，分別施加第二電壓準位V2的閘極驅動訊號VG、第四電壓準位V4的汲極驅動訊號VD及第五電壓準位V5的源極驅動訊號VS至光電晶體100的閘極110、汲極130及源極120。之後，在步驟S820中，在捕捉期間T1，分別施加第一電壓準位V1的閘極驅動訊號VG、第五電壓準位V5的汲極驅動訊號VD及第五電壓準位V5的源極驅動訊號VS至光電晶體100的閘極110、汲極130及源極120。因此，光電晶體100可根據該等驅動訊號來感測光源，以產生光電流訊號ID。應注意的是，此
驅動方法的步驟S800、S810、S820的執行順序並不用以限定本發明。
另外，本發明之實施例的光電晶體的驅動方法可以由圖1至圖2及圖6至圖7實施例之敘述中獲致足夠的教示、建議與實施說明，因此不再贅述。
綜上所述，在本發明之範例實施例中，光電晶體結構可為任何常見結構之一，並不需要特別之機構設計。讓超量載子在進入暗態後快速消滅的方式為週期性地在光電晶體的閘極施加正偏壓，偏壓的施加頻率基本上決定了光電晶體的感測速率。此外，週期性地在光電晶體的閘極施加負偏壓亦可形成正電荷來捕捉超量載子而提高亮態下的載子數，從而可以提高亮暗態之訊號比。因此，本揭露之光電晶體的驅動方法可維持一般光電晶體之高靈敏度特質，並大幅改善其反應速度。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何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，當可作些許之更動與潤飾，故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。
100‧‧‧光電晶體
110‧‧‧閘極
120‧‧‧源極
130‧‧‧汲極
140‧‧‧主動層
150‧‧‧介電層
T1‧‧‧捕捉期間
T2‧‧‧讀取期間
T3‧‧‧感應期間
VG‧‧‧閘極驅動訊號
VS‧‧‧源極驅動訊號
VD‧‧‧汲極驅動訊號
V1‧‧‧第一電壓準位
V2‧‧‧第二電壓準位
V3‧‧‧第三電壓準位
V4‧‧‧第四電壓準位
V5‧‧‧第五電壓準位
TL‧‧‧照光期間
TLB‧‧‧非照光期間
ID、I1、I2‧‧‧汲極電流
S500、S510、S800、S810、S820‧‧‧光電晶體的驅動方法的步驟
圖1繪示本發明一實施例之光電晶體的概要示意圖。
圖2繪示圖1實施例之光電晶體的電性示意圖。
圖3繪示本發明一實施例之光電晶體的各驅動訊號的概要波形圖。
圖4繪示主動層材料為氧化銦鎵鋅的光電晶體實際的操作電性圖。
圖5繪示本發明一實施例之光電晶體的驅動方法流程圖。
圖6繪示本發明另一實施例之光電晶體的各驅動訊號的概要波形圖。
圖7繪示主動層材料為氧化銦鎵鋅的光電晶體實際的操作電性圖。
圖8繪示本發明另一實施例之光電晶體的驅動方法流程圖。
S500、S510‧‧‧光電晶體的驅動方法的步驟
Claims (18)
- 一種光感測器，包括：一光電晶體，其閘極用以接收一閘極驅動訊號，並且該光電晶體根據該閘極驅動訊號來感測一光源，以產生一光電流訊號，其中該閘極驅動訊號在一捕捉期間具有一第一電壓準位，在一讀取期間具有一第二電壓準位，並且該光電晶體包括一金屬氧化物主動層，其中該金屬氧化物主動層的材料包括一金屬氧化物半導體。
- 如申請專利範圍第1項所述之光感測器，其中該第一電壓準位高於該第二電壓準位。
- 如申請專利範圍第1項所述之光感測器，其中該讀取期間與該捕捉期間在時序上交錯排列。
- 如申請專利範圍第1項所述之光感測器，其中該閘極驅動訊號在一感應期間具有一第三電壓準位。
- 如申請專利範圍第4項所述之光感測器，其中該第二電壓準位高於該第三電壓準位。
- 如申請專利範圍第4項所述之光感測器，其中該閘極驅動訊號的一個週期包括該感應期間、該讀取期間及該捕捉期間，且三者在該週期內依序排列。
- 如申請專利範圍第1項所述之光感測器，其中該光電晶體之汲極在該讀取期間用以接收一汲極驅動訊號，其中該汲極驅動訊號在該讀取期間具有一第四電壓準位。
- 如申請專利範圍第7項所述之光感測器，其中該光電晶體之汲極在一非讀取期間用以接收該汲極驅動訊號，其中該汲極驅動訊號在該非讀取期間具有一第五電壓準位，該第五電壓準位低於該第四電壓準位。
- 如申請專利範圍第8項所述之光感測器，其中該光電晶體之源極用以接收一源極驅動訊號，其中該源極驅動訊號具有該第五電壓準位。
- 如申請專利範圍第1項所述之光感測器，其中該閘極驅動訊號之頻率大於該光源之照光頻率。
- 一種光電晶體的驅動方法，包括：在一捕捉期間，施加一閘極驅動訊號至該光電晶體的閘極，其中該閘極驅動訊號具有一第一電壓準位；在一讀取期間，施加該閘極驅動訊號至該光電晶體的閘極，其中該閘極驅動訊號具有一第二電壓準位；在該讀取期間，施加一汲極驅動訊號至該光電晶體的汲極，其中該汲極驅動訊號具有一第四電壓準位；以及在一非讀取期間，施加該汲極驅動訊號至該光電晶體的汲極，其中該汲極驅動訊號具有一第五電壓準位，該第五電壓準位低於該第四電壓準位，其中該光電晶體根據該閘極驅動訊號來感測一光源，以產生一光電流訊號，並且該光電晶體包括一金屬氧化物主動層。
- 如申請專利範圍第11項所述之光電晶體的驅動方法，其中該第一電壓準位高於該第二電壓準位。
- 如申請專利範圍第11項所述之光電晶體的驅動方法，其中該讀取期間與該捕捉期間在時序上交錯排列。
- 如申請專利範圍第11項所述之光電晶體的驅動方法，更包括：在一感應期間，施加該閘極驅動訊號至該光電晶體的閘極，其中該閘極驅動訊號具有一第三電壓準位。
- 如申請專利範圍第14項所述之光電晶體的驅動方法，其中該第二電壓準位高於該第三電壓準位。
- 如申請專利範圍第14項所述之光電晶體的驅動方法，其中該閘極驅動訊號的一個週期包括該感應期間、該讀取期間及該捕捉期間，且三者在該週期內依序排列。
- 如申請專利範圍第11項所述之光電晶體的驅動方法，更包括：施加一源極驅動訊號至該光電晶體的源極，其中該源極驅動訊號具有該第五電壓準位。
- 如申請專利範圍第11項所述之光電晶體的驅動方法，其中該閘極驅動訊號之頻率大於該光源之照光頻率。
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