TWI584650B - 配對電晶體電路 - Google Patents

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Description

配對電晶體電路
本申請案主張2010年9月24日申請之美國臨時申請案第61/386,403號的優先權，其內容係以全文引用方式併入本文中。
本發明揭露數種處理畫素陣列之實施例，特別關於畫素陣列及讀取電路中的元件之錯配抑制及偏移消除。
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(ion-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)。在本說明書中，離子感測場效電晶體通稱為化學感測器。
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)，其係以全文納入本說明書之範圍。
另外，羅斯伯格等人在美國專利公開第2010/0301398號、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(Complementary Metal Oxide 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(bipolar and CMOS,biCMOS)之製程，此製程會在一P型或N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即可，例如為鎵砷及奈米碳管技術，其中，被感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型或N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n型井係形成於p型矽基板，以形成電晶體之基體，並且在n型井中形成高度P型(P+)摻雜區域S及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型(N+)摻雜區域B，以形成與n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氧化層，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。另外，在氧化層上相對於N型井的位置係形成有一多晶矽閘極，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N型井)之間，所以其通常可以作為一閘極氧化層。
以另一互補式金氧半導體為例，一種N型離子感測場效電晶體的製程可以於一P+型晶圓上形成數微米厚之P-型磊晶區域，其中，一P型井係形成電晶體之基體，而且P型井分享給陣列中的所有裝置，且P+基板係作為基極接觸部，所以在畫素陣列中不需要其他接觸部。在P型井中形成重度摻雜之N型(N+)摻雜區域S及D，以分別構成離子感測場效電晶體之源極與汲極。然後，在源極、汲極與基極連接區域分別形成一氧化層，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。另外，在氧化層上相對於N型井的位置係形成有一多晶矽閘極，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P型井)之間，所以其通常可以作為一閘極氧化層。
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，其係利用連接多晶矽閘極與複數個金屬層而得，其中該等金屬層係設置於一個以上之設置在閘極氧化層之上的氧化層中；由於浮動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，所以被稱為浮動閘極結構，另外，其係夾設於閘極氧化層與一鈍化保護層之間，其中，鈍化保護層係設置於浮動閘極之一金屬層(如上金屬層)上方。
另外，如羅斯伯格所揭露，離子感測場效電晶體之鈍化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、或鉭氧化物，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氯乙烯，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具有化學基團，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固體/液體介面上會產生一靜電電位差(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VS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內容(“A large transistor-based sensor array chip for direct extracellular imaging,”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內容(“The development of 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，其中，核酸係在反應腔室中連成一串；然後測量化學感測場效電晶體之一信號，其中，測量此信號表示將已知的三磷核甘酸形成合成核酸時，所釋出之一個以上之氫離子。
在許多上述之電路及陣列中，存在有一個問題，其係關於電路製程的耐受度，由於電路元件及其相關結構本身會因為製程耐受度而有不同之處，所以相同的電路可能具有不同的特性，這些電路中的不同之處可以用來區別電路，其通常稱為錯配。
舉例而言，偏移及錯配係例如為放大器錯配，其係由於電路中產生待檢測之輸入差異對的裝置之間的臨限錯配，在具有數個待測試之放大器之陣列中，通常具有存在有錯配之電路，主動畫素感應器可能是一種具有嚴重之錯配及偏移的裝置，其係為具有數個畫素之影像感測陣列，且各畫素分別配合一放大器，以輸出畫素所感測到之光。針對主動畫素感應器之放大器錯配，常用的校正方法為相關雙重取樣法，其中，在一重置畫素值下進行一次取樣，然後在畫素具有感測光之信號時，進行另一次取樣，取得兩次取樣的差異，若此取樣與時間相關，則此取樣差異可以代表正確的信號而不會有包含熱雜訊衰減之偏移；為了取得此二取樣，需要提供一重置值。相關雙重取樣法可以有效地移除各種不同偏移及電晶體錯配之問題。
然而，對具有感測元件之感測陣列而言，其必須持續讀取一定時間，所以這些感測元件中不允許使用重置電路，若沒有這些取樣之重置值，則無法取得與感測裝置相關之重置值或參考值，所以相關雙重取樣法便無法發揮其效用，因此，在習知技術中雖然可以提供雙重取樣電路，但是卻無法運用相關雙重取樣技術。
另外，在CMOS電路之電晶體錯配可能對感測陣列產生嚴峻的限制，特別是對具有小輸出等級之感測器而言，在製造過程中形成的總誤差會造成感測器陣列之電晶體的不均一性，進而形成信號偏移、並造成電晶體所產生之信號的不均一性。因此，需要消除或減少這些不均一性及偏移，特別是在A/D轉換之前。有鑑於此，本發明揭露一種能夠消除電路之偏移及錯配的電路，即使在不具有重置功能之電路中亦為可行。
以下之實施例係揭露一種取樣技術，其不需要令功能正常之重置電路。在一實施例中，係提供一電路，其係用以解決電路元件之錯配及偏移，此電路可包括一化學感測器、一列選擇電晶體、一取樣電路、及一差分電路，其中，化學感測器可以由一電晶體所構成，列選擇電晶體可以位於基板上並鄰設於化學感測器，且列選擇電晶體與化學感測器可以具有相同的性質，取樣電路係用以從列選擇電晶體取得一參考取樣，並經由列選擇電晶體從化學感測器取得一信號取樣，差分電路係判斷參考取樣與信號取樣之間的差值。雖然在個別取樣過程中，信號係從相同埠讀取，本發明仍能夠藉由使得電晶體處於飽和及三極體狀態之間，而達到裝置的選擇性。
另一實施例係揭露一陣列之感測器，其具有配對之一對電晶體，一選擇裝置係設置於一第一電晶體，而一感測器係設置於一第二電晶體，且此對電晶體之配置方式係使得感應器電晶體可以經由第一電晶體之輸出而被讀取，當選擇電晶體之源極被偏壓以形成源極隨耦器之配置時，其係作為輸出，在此配對中之選擇電晶體可以進入飽和(主動)狀態，以避免干擾位於選擇電晶體之輸出的感應器電晶體，當感應器電晶體之閘極電壓大於選擇電晶體之閘極電壓時，選擇電晶體會進入飽和狀態。由於微小的通道長度調變的關係，選擇電晶體之汲極的輸出電阻較高，由於其係作為類似開關之功能，所以可以使得可被忽略之信號通過感測器電晶體，可以從輸出電壓進行取樣，接著可以使得選擇電晶體進入一線性區域(亦稱為三極體區域)，以便經由選擇電晶體之輸出讀取化學感測器之感測器電晶體，當選擇電晶體之閘極電壓超過感測器電晶體之閘極電壓時，選擇電晶體進入三極體狀態，因此可以從輸出電壓進行取樣，然後取得兩個取樣之差異。
另一實施例係揭露一陣列之感測器，其包括單一電晶體畫素，其係以數列及數欄方式配置，該些畫素可以從數列中選擇出，然後從某一欄中讀取，這些裝置(如比較器)之偏移及欄電路之間的錯配可以藉由匹配各欄中的電晶體而消除，其係經過雙重取樣，以及對所選擇之列的各欄之信號相關聯之取樣進行差分。另一實施例係揭露一陣列之畫素，其以數列及數欄方式配置，並具有一欄位準電路，其係用以對選擇之畫素進行複數取樣，並能夠在不失去先前取得之取樣下，提供一欄位準重置功能。
圖1顯示一種具有電晶體及放大器錯配之示例性電路，其中，電路100具有偏移及錯配之畫素110、電晶體105、125、127、及緩衝器130，其結合會形成信號不均一性，畫素110可包括電晶體112及114，且其不具有重置功能，電晶體112可以是一化學感測器，其係用以檢測一微小信號，其係由一化學反應所產生之一信號。另外，一類比/數位轉換器(圖未示)係連接於緩衝器130之輸出，藉以將類比輸出信號轉變為數位信號，然而，若類比輸出信號為不均一，則為了將類比輸出信號正確地轉變為數位信號，類比/數位轉換器需要額外的位元，其動態範圍極廣，一般而言，當緩衝器130之輸出信號越不均一時，所需的位元數量越大。另外，若緩衝器130所輸出之輸出信號中的信號振幅小於整個輸出信號，則信號不均一的效應會在整個信號中更加明顯，其可能導致位元數量的不足，因此，偏移及錯配會導致需要更大的位元深度。在一實施例中，片外類比/數位轉換器所需之動態範圍係例如為250 mV，此動態範圍可以提供大信號尺寸及高度之解析度，例如，由於信號本身的不均一而使得具有大振幅之信號中包含有小信號時，為了使類比/數位轉換器正確轉換，需要達到10 uV之量子雜訊位準、並提供12-14位元之解析度。
圖2為本發明實施例配合元件之示例性方塊圖，系統200包括一畫素210、一偏壓電晶體230、一偏移消除器240、及一類比/數位轉換器250，其中，畫素210包括一配對電晶體，包括一化學感測器211及一列選擇電晶體215，其中，配對電晶體表示電晶體211及215具有相同的尺寸、形狀及類型，但不需所有裝置之性質皆相同才視為配對，例如，兩個電晶體可以具有相同的寬度、並共用同一擴散區，但其表面上具有不同之閘極長度。由於這些裝置係最低限度地互相分離，所以其閘極氧化區域可以適當地配對，故在裝置經過後續分離後，其臨限亦可以適當地配對；具有不同閘極長度之裝置會測量到不同的輸出位準，但是所有配對皆會遵守相同之有系統的方法並提供均一性；化學感測器211與列選擇電晶體215之不同處在於，化學感測器211具有一化學感測孔洞，其係耦接於一浮動閘極，以提供一輸入信號。當然，配對之間仍然可能存在有其他不同之處。
一般而言，位置接近之電晶體具有較少錯配，使用具有相同畫素之配對電晶體211及215的優點在於，由於列選擇電晶體鄰設於化學感測器，所以其具有較少電晶體錯配，因此，參考電位可以從具有與化學感測器相同畫素之列選擇電晶體取得參考位準，其係約可以作為感測器電晶體之匹配參考。
然而，畫素210及偏壓電晶體230中的所有元件可以具有相同的偏移及錯配，其係輸出不均一之信號，畫素210及偏壓電晶體230中的偏移及錯配可以由偏移消除器240進行取樣，並且在類比/數位轉換器250進行類比/數位轉換之前先移除，當輸入信號範圍較小，由於僅需要轉換實際信號位準，所以類比/數位轉換器250的動態範圍需求可例如下降至8位元位準；一般而言，可以移除或減少電晶體錯配，以便使得感應器反應達到均一。
以下將參考圖2所示說明一種定址錯配之方法。偏壓電晶體230係例如為一場效電晶體，其係藉由施加一偏壓電壓vb至偏壓電晶體230之閘極以偏壓畫素210，類比/數位轉換器250提供一數位輸出給來自畫素210之信號，偏移消除器240係一欄位準電路，其提供雙重取樣能力以分析畫素210，其中，偏移消除器240之偏移功能可以消除畫素210、偏壓電晶體230及位在信號路徑中之其他元件的偏移及錯配，偏移消除器240可以接收整個信號路徑中除了被化學感測器211所感測之信號以外的其他信號之一第一取樣，此第一取樣可包括整個信號路徑中的所有元件之偏移及錯配，如化學感測器211、畫素210之電晶體215及偏壓電晶體230；另外，可以從包含於取樣值的化學感測器211所感測之信號，取得信號路徑之一第二取樣，此信號路徑之第二取樣包括整個信號路徑中的所有元件之偏移及錯配，如化學感測器211、畫素210之電晶體215及偏壓電晶體230，以及化學感測器211所感測之信號值；偏移消除器240可以提供一差分功能，其係由包括化學感測器211所感測之信號值之第二取樣減去第一取樣，可以得到感測信號值，並進一步提供給類比/數位轉換器250。綜上所述，偏移消除器240可以取得二取樣，並將雙重取樣技術應用於此二取樣，然後在類比/數位轉換器250進行類比/數位轉換之及，先利用此二取樣以移除畫素210及偏壓電晶體230之偏移及錯配；此時，由於僅需要感測實際值，所以可以減少類比/數位轉換器250進行化學感測器之信號位準時的動態範圍需求；在一實施例中，由於僅需要轉換實際信號位準，所以位元長度可以下降至8位元等級，因此，可以移除或減少電路元件錯配，並使得感測器反應更均一。
圖3A及3B顯示本發明實施例之使用配對電晶體之Δ雙重取樣之範例，在圖3A之電路300中，畫素310係被一電流源I(如圖2所示之電晶體230)所偏壓，畫素310可包括一化學感測器313及一列選擇電晶體315，其可皆為場效電晶體，換言之，此配對包括化學感測器313及列選擇電晶體315，如圖2所示，這些裝置位置及性質接近，所以可被視為配對；畫素310可以是一陣列(圖未示)中的複數個畫素其中之一，陣列係具有數列及數欄，利用一列選擇信號rs來控制選擇電晶體315，以選出畫素310，在一相關雙重取樣演算法中，可以針對裝置的兩個不同狀態進行信號取樣，其中，可以在畫素310之不具有輸入信號之一第一狀態(已知、未知或在重置模式)時取得一取樣，所以能夠得到裝置的所有偏移及配錯，另外，可以在畫素310之一第二狀態(通常包括輸入信號)時取得另一取樣；此二取樣之差異可以表示輸入信號，且不受畫素310之偏移存在與否的影醒，例如，電晶體製造差異(如臨限電壓差異)。然而，在本實施例中，在進行反應的監測過程中，化學感測器313可以持續被讀出，因此，不需要在無輸入信號時另外取樣，或是對化學感測器313之一已知輸入信號另外取樣。
在一實施例中，上述之被監測並持續讀取之反應可以是監測當核甘酸聚合形成DNA之一股時所進行的DNA定序反應過程中所釋出之氫離子(H+)，當核甘酸結合時，可以釋出氫離子(H+)，由於在結合信號產生的期間，化學感測器313持續被讀出，所以化學感測器313無法被重置，因此無法採用相關雙重取樣以移除及減少偏移，而由於實際的化學感測器313無法在沒有輸入信號時被測量，實際的化學感測器313會被其最接近之列選擇電晶體315所取代，以作為校正；由於列選擇電晶體315係局部配對於化學感測器313，所以其可以提供最接近的偏移及錯配性質，而且由於列選擇電晶體315係與化學感測器313一同製造且互相鄰設，所以列選擇電晶體315可以與化學感測器313共用相同的錯配及偏移。如圖3A所示，列選擇電晶體315可以被一電壓V1所偏壓，所以其可以操作於飽和狀態，以建立一局部臨限電壓關係(VTH1)，當列選擇電晶體315進入飽和狀態時，其係必須遮蔽輸入信號，電壓V1亦小於VREF，其係為感測器電晶體313之閘極的感測器電極之有效直流偏壓位準，電壓V1係例如為1.5伏特，且VREF係例如為約2.5伏特；此局部臨限電壓關係(VTH1)可以用來進行(Δ)雙重取樣。藉由保持列選擇電晶體315於飽和模式，在第一參考取樣中，列選擇電晶體315的微小信號或雜訊可以通過列選擇電晶體315；由於列選擇電晶體315與化學感測器313接近，所以列選擇電晶體315可以取代化學感測器313，故第一信號取樣S1，如參考取樣，可以是列選擇電晶體315的性質，第一信號取樣S1可等於V1-(VTH1+ΔV)，其中，ΔV係為在此偏壓電流位準下用以偏壓電晶體之過驅動電壓，在一畫素中，其值可以保持恆定；但是，由於欄位準偏壓電路之偏壓電流錯配，在不同畫素中，特別是不同欄的畫素中，其值並不相同。電路300可以從輸出Sout輸出第一取樣S1，圖3B顯示取得第二信號取樣S2之示意圖。
在圖3B中，列選擇電晶體315可以被電壓V2所偏壓，因此其可以操作於三極體狀態以建立電晶體313之局部臨限電壓關係(VTH2)，電壓V2係大於VREF，其係為一有效供應電壓，VREF可以是一固定的偏壓電壓，其在參考取樣及信號取樣之間不會改變；此局部臨限電壓關係(VTH2)可以用來進行(Δ)雙重取樣。藉由保持列選擇電晶體315於三極體模式，在第二信號取樣中，來自化學感測器313之離子信號(H+)可以通過列選擇電晶體315，而化學感測器313可以操作於電晶體飽和狀態。第二信號取樣S2可包括來自化學感測器313之輸入信號VSig及VREF，且第二信號取樣S2可等於VREF+VSig-(VTH2+ΔV)。電路300亦可以從輸出Sout輸出第二取樣S2。
利用差分功能得到S2-S1之結果，其約等於VSig+(VREF-V1)+(VTH1-VTH2)，其中，固定電壓ΔV被消去，電壓(VREF-V1)可以是一固定電壓，其係作為類比/數位轉換器之參考電壓，其中，類比/數位轉換器可有效地移除電壓(VREF-V1)，在配對配置下，臨限電壓VTH1及VTH2係實質上相等，或其差值可以是固定值，因此，由(VTH1-VTH2)得到的差值可以被減少，且整個陣列之畫素皆相同；此差分之任一個固定差值可以被比/數位轉換器之參考所吸收，詳言之，當電晶體為相同尺寸時，此差分項為零，而當電晶體為不同尺寸或不相同時，得到的差值可以加上其他固定項，以得到類比/數位轉換器之參考，因此，可以在無任何畫素偏移施加於類比/數位轉換器以得到信號電壓VSig。依據信號路徑中所收集之取樣，在進行Δ雙重取樣操作的過程中，差分功能可以減少收集於第一取樣中額外的信號偏移，以便在類比/數位轉換之前先對整個信號鏈進行雙重取樣，而部分之類比/數位轉換器亦可以作為部分之偏移消除架構，舉例而言，若類比/數位轉換器具有一輸入階段，其係具有偏移，則此偏移可以被視為兩個取樣的一部份而被消除，因此不需要兩個分別的資料轉換；當然，取樣的順序可以不同。此外，電壓V1及V2可以為可編程，且其可以切換於各畫素之列選擇的讀出與疊接位準之間。在另一實施例中，雙重取樣演算法亦可以應用於類比/數位轉換之後，因此，類比/數位轉換器會執行兩個資料轉換循環，並利用一數位邏輯進行取樣之差分，此數位邏輯可以是一片內硬體、軟體、或片外硬體，此係為數位Δ雙重取樣。其優點在於，可以同時利用類比/數位轉換器轉換之多欄之多個畫素的讀出，且類比/數位轉換器本身具有偏移。此外，差分功能可以同時應用於類比/數位轉換之前及之後，以實現雙重Δ雙重取樣。第一差分功能可以建立一大的均一信號以輸入類比/數位轉換器，進而減少類比/數位轉換器所需要的動態範圍，第二差分功能在類比/數位轉換器之後進行，以消除類比/數位轉換器之偏移；第一及第二差分功能可以得到對所有電路元件的完整偏移消除，因此，次要之效果為，由於信號鏈中的所有點皆可保持均一，所以可以減少下層電路的不理想之傳送功能。
上述之配對Δ雙重取樣(MPDDS)可以用來對完整的信號路徑進行取樣，首先可以在無輸入信號時進行，其次可以在有輸入信號時進行，藉由在類比/數位轉換之前將兩個取樣相減，可以僅對取樣之間的差值(Δ)進行轉換，此取樣之差值可表示無不均一之實際信號，由於信號位準小於在配對Δ雙重取樣中所消除之偏移，所以可以有效地減少類比/數位轉換器所需要之解析度(位元深度)。另外，可以減少用來清除取樣之間的不均一的後續程序，例如，在一常見的信號鏈中的偏移通常大到200 mV，但信號範圍僅約為1 mV，若沒有偏移消除，即便信號範圍僅為1 mV，但是仍然需要建立至少200 mV之動態範圍，若具有偏移消除，假設不均一性可以下降至信號位準的等級，則動態範圍可以下降至2 mV，如此可以使得類比/數位轉換器得到減少100倍的動態範圍(約減少7位元)。
圖4顯示本發明實施例之一系統400，其包括四個電路方塊，如畫素410、欄取樣電路420、一比較器406及一欄閂鎖器430，其中，偏壓電晶體405係依據偏壓信號vb以偏壓畫素410，電晶體408依據控制輸入sw提供一預充電信號，且電晶體408可以依據欄的預充電狀態而定，如預充電至供應電壓、基板電壓、或介於供應電壓與基板電壓之間的其他參考電壓，畫素410可以是一雙電晶體設計，其包括一列選擇電晶體414，其係連接於一化學感測器412之源極，而化學感測器412之汲極係耦接於一供應電壓Vdda；實際上，其係為一欄線，並連接於供應電壓Vdda，列選擇電晶體414可從畫素410輸出，並耦接於欄取樣電路420及偏壓電晶體405，欄取樣電路420提供一讀出電路以讀取畫素410，欄取樣電路420可包括一雙重疊接電流源，其包括電晶體421、423及427(其構成一電流源)及電晶體425及420(其構成致能電流源之開關)、一取樣電容C1、一重置電晶體422、及一電流導引電晶體424，輸入信號Vbp、Vbpc及Vbpcc分別提供偏壓信號以偏壓電晶體421、423及427所提供之電流，比較器406可提供一比較功能以比較欄取樣電路420之輸入與一參考電壓Vramp，其中，比較器406具有一反相輸入端及一非反相輸入端、控制輸入端及一輸出端，並可為具有低輸入參照雜訊位準之高增益放大器，其頻寬可以由一控制電路所輸出之內部或外部控制信號(圖未示)所控制，以便改變比較器之頻寬，因此，可以依據比較器406的預期功能，將比較器之頻寬可以從一相位變成另一相位；另外，比較器406可以連接於欄閂鎖器430，欄閂鎖器430可以是一SR閂鎖器，其可以在「latch_rst」時進行重置，並設定為「latch_set」或比較器之輸出，欄閂鎖器430之輸出可以回饋至欄取樣電路420。
在操作中，比較器406及欄閂鎖電路430可以用來在第一取樣相位時進行偏移消除，然後在第二相位時進行類比/數位轉換，因此，MPDDS系統400所需要之額外電路為一取樣電容及少數個電晶體，藉由使得比較器406之頻寬大於由鏡像電晶體421、423及427所構成之電流源的頻寬，可以控制取樣電容C1小於所需之KTC雜訊位準，而減少取樣電容中的KTC雜訊的方式為熟悉該項技術者所熟悉，在此，係利用Δ雙重取樣來減少KTC雜訊，以便利用小佈局範圍達成偏移消除。由於在取得第一取樣期間及後續類比/數位轉換(其係轉換第二取樣與第一取樣之差值)期間，比較器係處於使用中狀態，所以比較器產生偏移，因此，大部分之類比/數位轉換的偏移會被移除，所以偏移消除電路及類比/數位轉換器可以大部分整合在一起，且其仍然可以執行個別的操作。
圖5顯示操作如圖4所示之MPDDS系統400之時序圖，其可以分為五個操作相位，包括一預充電相位、一列選擇(select_rst)相位、一偏移消除相位、一選擇信號相位、及一轉換相位。
在預充電相位中，畫素410之欄線可以被切換至一固定偏壓位準，例如為類比接地，藉由將「latch_rst」切換至低位準以重置欄閂鎖電路430，同時，取樣電容C1在電晶體422之端子可以切換至接地，並且在後續的列選擇相位中維持低位準。在預充電相位中，係建立起始偏壓條件，在此相位中，無列被選擇因此畫素之欄線(以vpix表示)可以被驅動至起始偏壓條件，當使用具有負臨限電壓之MOS電晶體時，預充電之位準可以設為高於接地之位準，以便有效地關閉未選擇之畫素。
在列選擇相位中，可以將「rs」線切換至一中間位準電壓(例如為1.5伏特)，使得列選擇裝置414進入飽和狀態以對欄線充電，在此相位中，化學感測器412之參考電壓之位準可以高於「rs」線，例如為2.5伏特，因此，可以確保列選擇裝置414持續處於飽和狀態；在此列選擇相位中，欄線之值可以驅動列選擇裝置414之閘極電壓至低於臨限電壓，並且提供過驅動電壓至閘極與源極之間，以便提供一偏壓電流，由於列選擇裝置414之閘極係維持在低於化學感測器412之閘極的電壓，列選擇裝置414可以操作於飽和狀態，且不會提供如開關的作用。由於列選擇裝置414之汲極的輸出電阻非常大，所以化學感測器412之源極的信號及雜訊無法調變列選擇裝置414之源極，因而在偏移消除相位中遮蔽了畫素之輸入的信號及雜訊，所以列選擇裝置414會進入飽和狀態以遮蔽來自資料路徑之信號，而無法重置畫素410以取得關聯值，其中，偏壓條件及方程式的詳細說明係如前述之圖3A及3B所示。
當進入偏移消除相位時，線「A」會被關閉，而線「B」會被導通，因此，比較器406之「vp」端子開始充電，當「vp」端子之電位上升超過「vramp」之電位時，比較器406作動以關閉電流源436並建立一第一取樣位準，由於比較器406之頻寬高於形成電流源之充電電路，所以電容C1之端子雜訊電壓係減少至低於sqrt(KT/C)，此時，信號鏈之偏移係儲存於取樣電容C1；接著，線「A」及線「B」同時被關閉，且再次重置閂鎖器430，連接至比較器406之vramp線係增加至其最大位準，其可能超過化學感測器412之偏壓及信號位準的有效輸出位準。偏移消除相位可能包括有效模擬一負回饋迴路之時序，其係使得電容C1之電壓到達匹配依據Vramp輸入所設定之比較器的參考電壓所需之值，其目的係為充電取樣電容C1到達能夠依據Vramp輸入之參考，以啟動比較器406之作動。由於從列選擇其間至信號選擇期間，比較器406及連接比較器406之資料路徑仍然維持在未充電，所以當提供相同的差分電壓時，比較器406會持續啟動，因此，輸入比較器406之第一取樣會有效地「表示」資料路徑，並儲存用來將比較器與資料路徑歸零之值。在預充電期間，當電壓例如為接地時，Vp節點開始啟動，而vp電壓之起始電壓可以低於vramp參考電壓，包括所有比較器406之間的總錯配之量，當釋出A線時，B線可以被啟動，且一電流源(例如由電晶體421、423及427所構成之電流源)開始對電容C1充電，實質上，比較器406之輸出(vramp)開始被vp輸入掃瞄，直到比較器406啟動，一旦比較器406啟動，電流源被關閉，且用於啟動比較器406之值可以被鎖定於電容C1中，由於，此值被鎖定於電容C1，在vpix線(如欄線)呈現之任何新的輸入位準，可以僅呈現於比較器406，以作為新的值與原始值之差值(Δ)，因此，此配置本身可以存在取樣相減，而在此相位中的比較器406之頻寬可以控制為一特定值，如第一頻寬，其係用於快速操作及KTC雜訊抑制。
在選擇信號相位中，「rs」線被切換至其最高電位處，以便推動列選擇電晶體414進入三極體狀態，此時，化學感測器412之位準係呈現於連接至取樣電容C1之欄線上，因此，化學感測器412之電壓可以耦接於取樣電容C1且當vramp電壓下降時，化學感測器412之電壓可以維持住。
在轉換相位(或選擇信號相位)中，可以將一灰階碼計數應用於所有欄上，當比較器406啟動時，「dout」到達高位準，並閂鎖於此灰階碼計數(圖未示)，其係表示畫素410之數位數值，而斜坡線(如Vramp)之電壓可以設定為永遠超過新的vpix電壓；為啟動類比/數位轉換，vramp線之電壓可以與灰階碼計數器同步減少，當斜坡值(Vramp)啟動比較器406時，對應之灰階碼被閂鎖於對應於此欄線之局部暫存器，因此，被閂鎖之灰階碼可以表示偏移消除信號，在後續轉換相位中，比較器406之頻寬可以被控制在第二頻寬，以便提供比先前之偏移消除相位更慢的操作，藉由此較慢的操作，比較器可以對系統產生之熱射流雜訊進行濾波。
如上所述，在偏移消除相位中，比較器406、閂鎖器430及欄取樣電路420之電流源可以對取樣電容C1進行充電；此外，亦可以利用一連續回饋使得比較器406之作用類似放大器，其中，放大器之輸出係切換為放大器之反相輸入端，比較器406之高增益使得輸入端實質上相等，藉此，當放大器在轉換相位期間操作於開放迴路配置時，可以對比較器406之偏移及電容C1之前的偏移進行取樣，因此，連續負回饋迴路可以執行所需之偏移消除，由於可以利用適當之頻寬分配減少取樣之熱雜訊，所以上述之使用欄閂鎖配置之方法可以使用比連續時間執行者更小的電容，比較器可以具有比電流源充電電路更大的頻寬，為達到此較大頻寬，充電電路之輸出電阻係利用多重疊接裝置而保持在高位準。
圖6顯示本發明另一實施例之系統MPDDS，與圖4所示之系統400相似，系統600包括一畫素610、欄取樣電路620、一比較器606及一欄閂鎖器630，其中，偏壓電晶體605係依據偏壓信號vb以偏壓畫素610，畫素610可以是一雙電晶體設計，其包括一列選擇電晶體614，其係連接於一化學感測器612之源極，而化學感測器612之汲極係耦接於一供應電壓Vdda；列選擇電晶體614可從畫素610輸出，並耦接於欄取樣電路620及偏壓電晶體605，欄取樣電路620提供一讀出電路以讀取畫素610，欄取樣電路620可包括電晶體621、623、624及629(其構成一鏡相電流源)、一取樣電容C6、一重置電晶體622及電流導引電晶體624；比較器606可提供一比較功能以比較欄取樣電路620之輸入與一參考電壓Vramp，其中，比較器606為具有低輸入參照雜訊位準之高增益放大器，且比較器606可以連接於欄閂鎖器630，欄閂鎖器630可以是一SR閂鎖器，其可以在「Latch_reset」時進行重置，並設定為「latch_set」或比較器之輸出，欄閂鎖器630之輸出可以回饋至欄取樣電路620。
在操作中，系統600之操作係實質上與前述之系統400相同，且系統600可以依據圖5所示之時序圖進行操作，其主要的不同之處在於：欄取樣電路620之配置係不同於前述之欄取樣電路420(由電晶體421、423-425、427及429所構成)，詳言之，其不同處在於本實施例係利用由電晶體621、623、624、及629所構成之鏡相電流源對取樣電容C6進行充電，當如圖4所示之閂鎖跳脫時電流會被轉向，以便關閉電流(如圖6所示)，雖然MPDDS系統600或400之配置皆可以進行適當之操作，但是圖4所示之欄取樣電路420之配置方式具有在消除期間，提供至電路400之電流為固定的優點，固定電流之操作可以減少電源供應器(圖未示)的干擾，其可能使得其他電路進行相同的操作；另一個不 同之處在於：與欄取樣電路420之反相器比較之下，欄取樣電路620具有反相器631之配置，其能夠提供額外的延遲。
目前有兩種錯配，包括電流錯配及臨限錯配，利用上述之雙重取樣方法，應用於單一(1)電晶體之畫素的實施例中，此雙重取樣可以用來應付電流錯配，在單一化學感測電晶體之畫素中，在畫素外之另一電晶體(稱為特性電晶體)可以用來定址錯配，於此，特性電晶體之設計係小於化學感測電晶體，而特性畫素可以大於化學感測電晶體(包括浮動閘極結構)，以便減少錯配，從特性電晶體取得之信號取樣(電流或電壓)可以用來取得單一化學感測電晶體之畫素的偏移及錯配；在單一電晶體之畫素的實施例中，可以取樣其他電晶體，以提供此畫素之參考取樣，然後進行此畫素之取樣，其中，可以取樣畫素電流，然後切換電流以通過畫素外較大之電晶體，並對通過此較大電晶體之電流進行取樣，接著，可以從畫素電流之取樣及特性電晶體電流之另一取樣之間進行△雙重取樣，需注意者，此方式可以減少臨限錯配。
本發明可以在不需要增加暫時雜訊的成本下，消除錯配及偏移，需注意者，畫素對畫素錯配減少時，在信號路徑中的所有其他偏移皆可被消除；另外，本發明還有其他優點，例如：由於本發明利用快速雙重取樣，所以能夠減少低頻雜訊(閃頻雜訊)，除了能夠消除信號路徑位準的偏移之外，在個別畫素之畫素310位準的偏移亦可以被消除，其中，比較器中的1/f雜訊可以減少約數個等級之強度。
雖然本發明所揭露之內容可參照前述的數個實施例，但本發明的範圍並非限制於這些實施例及其參照圖式所顯示之配置中，而且其操作製程亦不限制於上述之範例中，熟悉該項技術者可以在不違反本發明之精神與實質特徵的情況下，利用其他方式實現本發明之內容，因此，上述之實施例僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
以上說明係揭露本發明之數種實施例，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，並可以單獨或合併實施上述之所有實施例，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。
上述之各種實施例可以藉由硬體元件、軟體元件或其組合加以實現，其中，硬體元件係例如為處理器、微處理器、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)、可程式邏輯裝置(PLD)、數位訊號處理器(DSP)、現場可編程閘陣列(FPGA)、邏輯閘、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(API)、指令集、計算碼、計算機碼、程式碼片段、計算機程式碼片段、文字、數值、符號、或其組合；可以藉由數種分析因子判斷執行一實施例係採用不同之硬體元件及/或軟體元件，例如為預期之計算機速度、功率等級、熱耐受度、程序循環預算、資料輸入速度、資料輸出速度、記憶體來源、資料匯流排速度、及其他設計或效能限制。
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，以便在一機器上執行時，可以使得此機器實現本實施例之方法及/或操作，此機器可例如包括任一種適用之處理平台、計算平台、計算裝置、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、儲存裝置、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/或直譯之程式語言而實現。
100．．．電路
105．．．電晶體
110．．．畫素
112．．．電晶體
114．．．電晶體
125．．．電晶體
127．．．電晶體
130．．．緩衝器
200．．．系統
210．．．畫素
211．．．化學感測器
215．．．列選擇電晶體
230．．．偏壓電晶體
240．．．偏移消除器
250．．．類比/數位轉換器
300．．．電路
310．．．畫素
313．．．化學感測器
315．．．列選擇電晶體
400．．．系統
405．．．偏壓電晶體
406．．．比較器
408．．．電晶體
410．．．畫素
412．．．化學感測器
414．．．列選擇電晶體
420．．．欄取樣電路
421．．．電晶體
422．．．重置電晶體
423．．．電晶體
424．．．電流導引電晶體
425．．．電晶體
427．．．電晶體
429．．．電晶體
430．．．欄閂鎖器
436．．．電流源
600．．．系統
605．．．偏壓電晶體
606．．．比較器
610．．．畫素
612．．．化學感測器
614．．．列選擇電晶體
620．．．欄取樣電路
621．．．電晶體
622．．．重置電晶體
623．．．電晶體
624．．．電流導引電晶體
629．．．電晶體
630．．．欄閂鎖器
631．．．反相器
圖1顯示一種具有電晶體錯配之示例性電路；
圖2為本發明實施例配合元件之示例性方塊圖；
圖3顯示本發明實施例之用於取樣之一錯配電晶體對；
圖4顯示本發明實施例之具有用於取樣之一錯配電晶體對之取樣電路；
圖5顯示操作本發明實施例之取樣電路(如圖4所示)的示例性時序圖；以及
圖6顯示本發明實施例之具有用於取樣之一錯配電晶體對之另一取樣電路。
200．．．系統
210．．．畫素
211．．．化學感測器
215．．．列選擇電晶體
230．．．偏壓電晶體
240．．．偏移消除器
250．．．類比/數位轉換器

Claims (14)

  1. 一種用以克服電路元件之錯配及偏移之電路，包括：一化學感測電晶體；一選擇電晶體，其耦接於一電路節點與該化學感測電晶體之間且具有一耦接至一選擇線之閘極；一偏壓電路，其施加一第一電壓及一第二電壓至該選擇線，其中該第一電壓及該第二電壓之各者足以導通該選擇電晶體；一取樣電路，其當該第一電壓被施加至該選擇線時在該電路節點處取得一參考取樣，及當該第二電壓足以被施加至該選擇線時在該電路節點處取得一信號取樣；以及一差分電路，其基於該參考取樣與該信號取樣之間的一差值以產生一差分信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其中該信號取樣表示一化學反應靠近該化學感測電晶體發生。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其中當該第一電壓被施加至該選擇線時，該選擇電晶體係處於一飽和區域。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其中當該第二電壓被施加至該選擇線時，該選擇電晶體係處於一線性區域。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其中當該化學感測電晶體係處於一飽和區域時，該信號取樣係從該電路節 點處取得。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其中由該化學感測電晶體所偵測之一化學反應在該化學感測電晶體之一端子處建立一輸出電壓，及當該第二電壓被施加至該選擇線時，該選擇電晶體將該化學感測電晶體之該端子連接至該電路節點。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電路，其中當該取樣電路取得該信號取樣時，該化學感測電晶體係處於一飽和區域。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其進一步包含：一類比/數位轉換器，其將該差分信號之一類比值轉換至一數位值。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之電路，其進一步包含：一陣列之感測器，其係以數列及數欄配置，在該陣列中之一感測器包含該化學感測電晶體及該選擇電晶體，且其中該類比/數位轉換器係被該陣列之一對應欄中的複數個感測器所共用。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之電路，其中該類比/數位轉換器係被該陣列之多個欄中的多個感測器所共用。
  11. 如申請專利範圍第2項所述之電路，其中當該化學反應靠近該化學感測電晶體發生時，該參考取樣與該信號取樣之各者被取得。
  12. 如申請專利範圍第2項所述之電路，其中該化學反應係一定序反應。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其中該參考取樣表示該選擇電晶體之一臨限電壓，及該信號取樣表示該化學感測電晶體之一臨限電壓。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其中該選擇電晶體回應於該第一電壓以遮蔽該化學感測電晶體之一端子至該電路節點的耦合，及回應於該第二電壓以將該化學感測電晶體之該端子連接至該電路節點。
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