WO2009043891A1 - Matrice de pixels avec precharge des colonnes - Google Patents

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WO2009043891A1
WO2009043891A1 PCT/EP2008/063186 EP2008063186W WO2009043891A1 WO 2009043891 A1 WO2009043891 A1 WO 2009043891A1 EP 2008063186 W EP2008063186 W EP 2008063186W WO 2009043891 A1 WO2009043891 A1 WO 2009043891A1
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matrix
phi
microelectronic
row
cells
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PCT/EP2008/063186
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Inventor
Jean-Luc Martin
Marc Arques
Arnaud Peizerat
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique
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    • H04N25/67—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise applied to fixed-pattern noise, e.g. non-uniformity of response
    • H04N25/671—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise applied to fixed-pattern noise, e.g. non-uniformity of response for non-uniformity detection or correction
    • H04N25/677—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise applied to fixed-pattern noise, e.g. non-uniformity of response for non-uniformity detection or correction for reducing the column or line fixed pattern noise
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    • H04N25/30—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof for transforming X-rays into image signals

Definitions

  • the invention relates to the field of microelectronic devices formed of elementary cells arranged in matrix and applies in particular to large matrices, such as, for example, matrices of X-ray detectors, in particular made in CMOS technology.
  • the invention provides for the implementation of a matrix microelectronic device formed of elementary cells, comprising at the end of data lines intended to convey the output signal of the cells, preloading means, designed to promote a rapid establishment of these lines of data at the output potential of the selected cells of the matrix.
  • FIG. 1 An example of a microelectronic matrix X-ray detection device, according to the prior art, formed of a 2 * 2 matrix, of 2 horizontal rows and of 2 vertical rows of elementary cells also called pixels 1011, 1012, 1021, 1022, is illustrated in Figure 1.
  • the signal delivered by a cell is transmitted to a data line 111, 112 of the matrix.
  • the output voltage setting time S depends on the output impedance of a follower stage and the load capacity of the data line to which this output S is connected.
  • the follower stage may be formed for example of a transistor of the cell and a transistor located at the end of the data line.
  • the load capacity of the data line is formed by the sum of the stray capacitances of the data line and can become high, for example of the order of several tens of pF for matrices of much larger sizes. than that illustrated in Figure 1.
  • the data line does not only present a parasitic capacitance, but also a linear resistance, Rpix for each pixel of the matrix.
  • the output voltage of a given cell read at the end of a data line depends on the resistance of a switch transistor at the output of the matrix, as well as the rank or location of said cell in the matrix. Depending on the location of the cell whose value is read, a more or less significant shift can be introduced. This shift can be all the more important as the size of the matrix is large.
  • the invention firstly relates to a microelectronic matrix device comprising:
  • At least one data line connected to a plurality of cells of at least one given row of cells of the matrix, and capable of conveying at least one output signal from at least one selected cell selected in said given row,
  • preloading means located at one end of said data line, for applying, as a function of a precharge control signal, a precharging potential to said data line, prior to a selection with the aid of at least one selection signal of said given cell, or during a selection of said given cell using at least one selection signal of said given cell.
  • the elementary cells respectively comprise: current generating means associated with switch means controlled by said selection signal.
  • the current generator means may comprise at least one current-generating transistor whose gate and source are set at supply potentials and at least one switching transistor whose gate is controlled by said selection signal.
  • Such precharging means make it possible to promote rapid establishment of a data line at the output potential of the selected cells of the matrix. This rapid establishment is favored by said current generator means associated with the switch means.
  • Such a device makes it possible to significantly reduce or even eliminate the effects of trainage, insofar as one can erase the contents of a data line before going to the next line, and this, whatever the potential of preload.
  • the precharge potential is preferably provided so that, when applied, the output current of the cell is increased.
  • the precharging potential may for example be lower than the output potential of the cell, in the case, for example, where the given cell comprises at its output an amplifier formed of N-type transistors.
  • the precharging potential is provided at a predetermined value, for example of the order of 0 V, so as to favor, following a selection of said given cell, the establishment at said output potential of said end of said data line. .
  • the matrix may be arranged so that the selection signal of the given cell is a selection signal of a i th row of cells to which said given cell belongs and which is in particular orthogonal to said given row, the control signal precharge being activated after a activating a ii th row of cells in particular othogonale to said given row and before activation of the selection signal of said i th row of cells of the particular orthogonal matrix to said given row.
  • the selection signal may be a selection signal of a i th row of cells of the matrix to which said given cell belongs and which is in particular orthogonal to said given row, the precharge control signal being activated during an activation of the selection signal of said i- th row of cells of the matrix in particular orthogonal to said given row.
  • a follower amplifier may be provided at the end of the data line. Such an amplifier may have a very high input resistance or at least greater than 1 G ⁇ .
  • the precharging means may be located at the input of said follower amplifier.
  • the latter may comprise at least one transistor whose gate is controlled by said precharge control signal, and an electrode is set at the precharging potential.
  • the invention can be applied to electromagnetic radiation detecting devices, in particular to X-ray detectors.
  • the elementary cells may be, in this case, pixels respectively comprising: least an electromagnetic radiation detector element, such as a photodetector, capable of delivering an output analog signal capable of varying at least as a function of photon quantities received by the photodetector.
  • the present invention is applicable to arrays of pixels from which information is to be extracted and can be applied to other types of matrix devices, for example to gamma ray detectors, or to display devices.
  • the elementary cells may comprise respectively: reset means, for resetting, according to a reset control signal, the output signal of said detector element.
  • the reset means may be in the form of at least one switch transistor whose gate is controlled by said reset control signal, and an electrode of which is set to a reset potential.
  • the elementary cells may comprise respectively: amplification means of the analog output signal of said detector element.
  • said amplification means may comprise at least one amplifier transistor whose gate receives the output signal of said detector element, and an electrode of which is put at a supply potential.
  • the elementary cells may furthermore comprise, respectively: switch means, able to apply, as a function of the selection control signal, the output of said selected cell to a data line.
  • the switch means may comprise at least one transistor whose gate receives the selection signal, and an electrode of which is connected to at least one amplifier transistor whose gate receives the output signal of said detector element, and an electrode of which is set polarization potential Vdd.
  • FIG. 1 illustrates a microelectronic matrix device according to the prior art
  • FIG. 2 illustrates a first example of a microelectronic matrix device formed of a plurality of elementary cells
  • FIG. 3 illustrates an establishment curve at the end of a data line of the output potential of an elementary cell of the first example of a microelectronic matrix device according to the invention, read at the end of a data line of this device
  • FIG. 4 illustrates a second example of a microelectronic matrix device, implemented according to the invention
  • FIG. 5 illustrates an establishment curve at the end of a data line of the output potential of an elementary cell of a second example of a microelectronic matrix device according to the invention.
  • This device comprises a matrix of n horizontal rows and m vertical rows of elementary cells 10On, IOO12, ..., IOO21, 10O 22 , -, 100 1D , 100 min , with n which can be equal to m, and for example understood between 1 and 10000, for example equal to 2000.
  • the elementary cells may for example be electromagnetic radiation sensor pixels and may respectively comprise at least one electromagnetic radiation detector element, for example a radiation detector. X, as well as at least one electronic circuit associated with the detector.
  • the elementary cells may be, for example, cells of a reading matrix, the cells being respectively associated with a photoconductive element, for example of the CdTe, CdZnTe, PbI 2 , HgI 2 , PbO, Se, hybrid or assembled or deposited on the matrix.
  • a photoconductive element for example of the CdTe, CdZnTe, PbI 2 , HgI 2 , PbO, Se, hybrid or assembled or deposited on the matrix.
  • the invention is applicable to other types of large microelectronic matrix devices.
  • the matrix of elementary cells may have a size that is large, for example of the order of ten square centimeters or several hundred square centimeters, for example a dimension of the order of 10 cm ⁇ 10 cm or 20 cm. cm x 20 cm.
  • the elementary cells may respectively comprise a photodetector sensitive to visible light, for example in the form of a photodiode, or a phototransistor, coupled to one or more layers scintillators based on CsI, or Gd 2 O 2 S for example, which allow the detection of X photons and transform them into visible photons.
  • a photodetector sensitive to visible light for example in the form of a photodiode, or a phototransistor, coupled to one or more layers scintillators based on CsI, or Gd 2 O 2 S for example, which allow the detection of X photons and transform them into visible photons.
  • Components for example made in CMOS technology, provide detection by transforming visible photons into electrical charges.
  • each elementary cell or pixel of the matrix device comprises transistors T 2 , T 3 .
  • each cell also comprises a photodiode 110 and a transistor Ti.
  • a first transistor T1 makes it possible to initialize or reset the voltage of the photodiode, at a potential V_ran called reset, when a control phase or a control signal Phi_ran is active and applied to the first transistor Ti.
  • the first transistor T1 may be arranged to have a gate electrode connected to a conductive line 101, for example a horizontal row of the array, carrying the control signal Phi ran, and a drain electrode connected to a line.
  • conductive 102 for example a horizontal row, set to reset potential V_ran.
  • the control signal Phi ran is active, for example when it is set to a high state, the source of the first switch transistor Ti is set to the reset potential.
  • the cathode potential of the photodiode 110 decreases.
  • a transistor T 3 is turned on, which has the role of a second switch, controlled by means of a selection signal Phi line routed by a conductive line 104, for example a horizontal row of the matrix.
  • the selection signal Phi_line may be a selection signal common to all the cells of the same horizontal row.
  • the matrix can operate in charge integration, so that the photodiodes 110 integrate and store the charges for a determined integration time.
  • the integration time of an image or read cycle can be the time between two commands transmitted on the gate of the transistor Ti of a pixel.
  • the transistor T 2 forms a follower and comprises a gate connected to the photodiode 110 and a drain connected to a conductive line 103, for example of a horizontal row, carrying a bias potential Vdd, for example of the order of 3.3 V
  • the potentials V_ran and Vdd may be identical.
  • the pixels following each column are connected to a common data line, to which the respective switch transistor T 3 of the pixels of the same column is connected.
  • the second transistor T 2 is provided to copy the potential of the photodiode 110, and reproduce it at a voltage shift close.
  • the output potential of a cell is then read on an output S located at the end of the column, at the end of a line 105i, 1052 of data.
  • the selection signal Phi line of a row i (with 1 ⁇ i ⁇ n) of the matrix may be the same as the Phi_ran phase of a row i-1, close to the row i.
  • the device also comprises one or more addressing circuits (not shown), for example in the form of shift registers, and designed to generate the line and Phi ran signals. Signals at the different outputs S at the end of the data lines 105i, 1052, are then multiplexed in a register (not shown), so as to obtain the signal representative of a horizontal row of pixels.
  • the different outputs S at the end of the data lines 105i, 1052 may be connected to high input resistance follower amplifiers 120.
  • precharging means 150 for applying a precharging potential, for example prior to reading data from this data line are provided.
  • the preloading means 150 may be in the form of a switch transistor T 6 whose on state and the off state are controlled by a precharge control signal phi_Estcharge, applied to the gate of the transistor T 6 , and which is provided to apply, when passing, a potential V_provided at the end or at the end of the column, and in particular at the input of a follower 120.
  • the potential V_precharge can be applied to the drain of the transistor T 6 .
  • the precharge potential is a predetermined value potential, provided to increase the output current of a cell selected from the matrix, when the precharge potential is applied.
  • the phi_precharge signal may be provided to be activated, for example for a time between a reading command of a horizontal row i of the matrix and a read command of a row i + 1 following the matrix.
  • the applied potential V_precharge at the end of the column is chosen lower than the lowest potential at which the source of the second transistor T 2 can be placed.
  • the applied potential V_prharge can be for example of the order of 0 volts.
  • the precharging transistor T 6 is put in a blocked state.
  • a line can then be selected via the selection signal phi_line, so that the second transistors T 3 of this line become on. Since the precharge potential is small, the transistors T 2 followers of the selected line i then have a large gate-source voltage Vgs, a high conduction current, which raises the potential at the end of the column, which then has the effect of to cause a decrease of the current in the transistors T 2 .
  • the output impedance formed by the transistor T 2 and the data line can be very low when the precharging potential is applied, which makes it possible to quickly reach a voltage value at the output S close to the desired final value.
  • Such a device allows also, to obtain a lower total consumption with a device as described in connection with Figure 1 because the consumption is only transient. Such a device thus allows a fast reading of data, low consumption.
  • the dragging effects can also be suppressed with such a device, insofar as, with the precharging means, an erasure of the content of a data line can be implemented, before moving to the next data line.
  • One or more additional capabilities may be implemented, either at the end of the vertical row in the case of an additional single capacity, or integrated with the pixel.
  • a curve Cio representative of the establishment of the output potential Vs at the S-end of a data line of the matrix, with a strongly inverted transistor model, is given in FIG. 3.
  • another curve C20 is representative of the establishment of the output potential at the end of a vertical row of the matrix, with a weak inversion model at the end of the transient.
  • examples of precharge signals phi and phi line precharge command line are in turn given.
  • the precharge control signal phi_Estcharge is activated (chronogram C30 in the high state) then the reading of the output of the cell is performed (chronogram C 4 o in the high state). It is also possible to precharge a column or vertical row of the matrix on which a given pixel is located, during the beginning of the addressing of the data line on which this given pixel is located.
  • FIG. 4 A variant of the example of the microelectronic device which has just been described, is illustrated in Figure 4, and provided to improve the establishment of the voltage at the end of the column.
  • an additional current source 160 is implemented in each of the pixels.
  • This current source 160 may be formed of a transistor T 4 whose gate is set to a bias potential Vpol, integrated in each cell or pixel, and biased in saturation mode and a switch transistor T 5 .
  • the current source 160, and in particular the switching transistor T 5 can be controlled by the selection signal phi_line which also makes it possible to control the switching transistor T 3 .
  • An example of operation of such a device may be the following: when a horizontal row of the array is addressed, two currents add up in the transistor T2: a first current corresponding to the load of the equivalent capacity of the line of data which has been preloaded at the potential V_provided by the transistor T 6 , and a second current delivered by the current source 160 formed by the transistor T 4 and the transistor T 5 .
  • the first current is preponderant, then it is the current generated by the current T 4 which becomes predominant, so that the transistor T 2 is never very resistive, which allows the establishment of the output potential Vs with an increased speed of.
  • FIG. 5 An example of a curve C 5 o for setting the output potential Vs at the end of a data line of the microelectronic device that has just been described is shown in FIG. 5.
  • the final value of the potential Vs is equal. at a ready K offset at the Vphotodiode potential, ie at the cathode of the photodiode, minus the threshold voltage V ⁇ .

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Abstract

L' invention concerne un dispositif microélectronique matriciel comprenant : - une pluralité de cellules élémentaires (10011,..., 100mn) agencées selon une matrice, - au moins une ligne (1051, 1052) de données, connectée à une pluralité de cellules d'au moins une rangée donnée de cellules, et apte à acheminer au moins un signal de sortie d'au moins une cellule donnée sélectionnée dans ladite rangée donnée de la matrice, - des moyens de précharge (150), situés à une extrémité de ladite ligne de données, pour appliquer, en fonction d'un signal de commande de précharge (phi_précharge), un potentiel de précharge (V_précharge) à ladite ligne de données, préalablement à une sélection à l'aide d'au moins un signal de sélection (phi_ligne) de ladite cellule donnée ou lors d'une sélection de ladite cellule donnée à l'aide d'au moins un signal de sélection (phi_ligne) de ladite cellule donnée.

Description

MATRICE DE PIXELS AVEC PRECHARGE DES COLONNES
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L' invention est relative au domaine des dispositifs microélectroniques formés de cellules élémentaires agencées en matrice et s'applique en particulier aux matrices de grande tailles, telles que par exemple, les matrices de détecteurs de rayons X, en particulier réalisées en technologie CMOS.
L'invention prévoit la mise en œuvre d'un dispositif microélectronique matriciel formé de cellules élémentaires, comprenant à l'extrémité de lignes de données destinées à acheminer le signal de sortie des cellules, des moyens de précharge, prévus pour favoriser un établissement rapide de ces lignes de données au potentiel de sortie des cellules sélectionnées de la matrice.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Un exemple de dispositif microélectronique matriciel de détection de rayons X, suivant l'art antérieur, formé d'une matrice 2*2, de 2 rangées horizontales et de 2 rangées verticales de cellules élémentaires également appelés pixels 1011, 1012, 1021, 1022, est illustré sur la figure 1. Le signal délivré par une cellule est transmis à une ligne de donnée 111, 112 de la matrice. Lors de la lecture de ce signal, le temps d'établissement de la tension en sortie S dépend de l'impédance de sortie d'un étage suiveur et de la capacité de charge de la ligne de données à laquelle cette sortie S est connectée. L'étage suiveur peut être formé par exemple d'un transistor de la cellule et d'un transistor situé à l'extrémité de la ligne de données. La capacité de charge de la ligne de données, est quant à elle formée de la somme des capacités parasites de la ligne de données et peut devenir élevée, par exemple de l'ordre de plusieurs dizaines de pF pour des matrices de tailles beaucoup plus importantes que celle illustrée sur la figure 1.
Pour la réalisation de matrices de grandes tailles, afin d'augmenter la vitesse de lecture, une solution consiste à augmenter la valeur du courant délivré par le transistor jouant le rôle de suiveur. Cependant, cela a pour effet d'augmenter la consommation de la matrice.
Par ailleurs, la ligne de données ne présente pas uniquement une capacité parasite, mais également une résistance linéique, Rpix pour chaque pixel de la matrice. La tension de sortie d'une cellule donnée lue à l'extrémité d'une ligne de données dépend de la résistance d'un transistor interrupteur situé en sortie de la matrice, ainsi que du rang ou de l'emplacement de ladite cellule dans la matrice. Suivant l'emplacement de la cellule dont on lit la valeur, un décalage plus ou moins important peut être introduit. Ce décalage peut être d'autant plus important que la taille de la matrice est grande.
Il se pose le problème de trouver un nouveau dispositif microélectronique matriciel, en particulier de détection de rayonnement électromagnétique, par exemple de rayonnement X, qui ne présente pas les inconvénients mentionnés ci-dessus.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
L'invention concerne tout d'abord un dispositif microélectronique matriciel comprenant :
- une pluralité de cellules élémentaires agencées selon une matrice,
- au moins une ligne de données, connectée à une pluralité de cellules d'au moins une rangée donnée de cellules de la matrice, et apte à acheminer au moins un signal de sortie d'au moins une cellule donnée sélectionnée dans ladite rangée donnée,
- des moyens de précharge, situés à une extrémité de ladite ligne de données, pour appliquer, en fonction d'un signal de commande de précharge, un potentiel de précharge à ladite ligne de données, préalablement à une sélection à l'aide d'au moins un signal de sélection de ladite cellule donnée, ou lors d'une sélection de ladite cellule donnée à l'aide d'au moins un signal de sélection de ladite cellule donnée.
Les cellules élémentaires comportent respectivement : des moyens générateurs de courant associés à des moyens interrupteurs commandés par ledit signal de sélection. Les moyens générateurs de courant peuvent comprendre au moins un transistor générateur de courant dont la grille et la source sont mises à des potentiels d'alimentation et au moins un transistor interrupteur dont la grille est commandée par ledit signal de sélection. De tels moyens de précharge permettent de favoriser un établissement rapide d'une ligne de données au potentiel de sortie des cellules sélectionnées de la matrice. Cet établissement rapide est favorisé par lesdits moyens générateurs de courant associés aux moyens interrupteurs.
Un tel dispositif permet de réduire de manière importante voire de supprimer les effets de trainage, dans la mesure où l'on peut effacer le contenu d'une ligne de données avant de passer à la ligne suivante, et ce, quelque soit le potentiel de précharge .
Le potentiel de précharge est de préférence prévu de manière à, lorsqu'il est appliqué, augmenter le courant de sortie de la cellule.
Le potentiel de précharge peut être par exemple prévu inférieur au potentiel de sortie de la cellule, dans le cas par exemple où la cellule donnée comporte en sortie un amplificateur formé de transistors de type N.
Le potentiel de précharge est prévu à une valeur prédéterminée, par exemple de l'ordre de 0 V, de manière à favoriser, suite à une sélection de ladite cellule donnée, l'établissement audit potentiel de sortie de ladite extrémité de ladite ligne de données.
La matrice peut être agencée de sorte que le signal de sélection de la cellule donnée est un signal de sélection d'une ieme rangée de cellules à laquelle appartient ladite cellule donnée et qui est en particulier orthogonale à ladite rangée donnée, le signal de commande de précharge étant activé après une activation d'une i-ieme rangée de cellules en particulier othogonale à ladite rangée donnée, et avant une activation du signal de sélection de ladite ieme rangée de cellules de la matrice en particulier orthogonale à ladite rangée donnée.
Selon une autre possibilité, le signal de sélection peut être un signal de sélection d'une ieme rangée de cellules de la matrice à laquelle appartient ladite cellule donnée et qui est en particulier orthogonale à ladite rangée donnée, le signal de commande de précharge étant activé pendant une activation du signal de sélection de ladite ieme rangée de cellules de la matrice en particulier orthogonale à ladite rangée donnée. A l'extrémité de la ligne de données des moyens formant un amplificateur suiveur peuvent être prévus. Un tel amplificateur peut avoir une résistance d'entrée très élevée ou au moins supérieure à 1 GΩ.
Les moyens de précharge peuvent être situés à l'entrée dudit amplificateur suiveur.
Selon une possibilité de mise en œuvre des moyens de précharge, ces derniers peuvent comprendre au moins un transistor dont la grille est commandée par ledit signal de commande de précharge, et dont une électrode est mise au potentiel de précharge.
L'invention peut s'appliquer aux dispositifs détecteurs de rayonnements électromagnétiques, en particulier aux détecteurs de rayons X. Les cellules élémentaires peuvent être, dans ce cas, des pixels comportant respectivement : au moins un élément détecteur de rayonnement électromagnétique, tel qu'un photodétecteur, apte à délivrer un signal analogique de sortie susceptible de varier au moins en fonction de quantités de photons reçues par le photo-détecteur.
La présente invention s'applique à des matrices de pixels dont on veut extraire une information et peut s'appliquer à d'autres types de dispositifs matriciels, par exemple aux dispositifs détecteurs de rayons gammas, ou à des dispositifs d' affichage .
Selon une possibilité de mise en œuvre, les cellules élémentaires peuvent comporter respectivement : des moyens de réinitialisation, pour réinitialiser, en fonction d'un signal de commande de réinitialisation, le signal de sortie dudit élément détecteur .
Les moyens de réinitialisation peuvent être sous forme d'au moins un transistor interrupteur dont la grille est commandée par ledit signal de commande de réinitialisation, et dont une électrode est mise à un potentiel de réinitialisation.
Selon une possibilité de mise en œuvre, les cellules élémentaires peuvent comporter respectivement : des moyens d'amplification du signal analogique de sortie dudit élément détecteur.
Selon une possibilité de mise en œuvre, lesdits moyens d'amplification peuvent comprendre au moins un transistor amplificateur dont la grille reçoit le signal de sortie dudit élément détecteur, et dont une électrode est mise à un potentiel d'alimentation. Les cellules élémentaires peuvent comporter en outre respectivement : des moyens interrupteurs, aptes à appliquer, en fonction du signal de commande de sélection, la sortie de ladite cellule sélectionnée à une ligne de données.
Les moyens interrupteurs peuvent comprendre au moins un transistor dont la grille reçoit le signal de sélection, et dont une électrode est connectée à au moins un transistor amplificateur dont la grille reçoit le signal de sortie dudit élément détecteur, et dont une électrode est mise à un potentiel de polarisation Vdd.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 illustre un dispositif microélectronique matriciel suivant l'art antérieur, la figure 2 illustre un premier exemple de dispositif microélectronique matriciel formé d'une pluralité de cellules élémentaires, la figure 3 illustre une courbe d'établissement à l'extrémité d'une ligne de données du potentiel de sortie d'une cellule élémentaire du premier exemple de dispositif microélectronique matriciel suivant l'invention, lu en bout d'une ligne de données de ce dispositif, la figure 4 illustre un deuxième exemple de dispositif microélectronique matriciel, mis en œuvre suivant l'invention, la figure 5 illustre une courbe d'établissement à l'extrémité d'une ligne de données du potentiel de sortie d'une cellule élémentaire d'un deuxième exemple de dispositif microélectronique matriciel suivant l'invention.
Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre.
Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles .
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Un exemple de dispositif microélectronique matriciel, va à présent être donné. Ce dispositif comprend une matrice de n rangées horizontales et m rangées verticales de cellules élémentaires 10On, IOO12, ..., IOO21, 10O22, -, 1001D, 100mn, avec n qui peut être égal à m, et par exemple compris entre 1 et 10000, par exemple égal à 2000. Les cellules élémentaires peuvent être par exemple des pixels de capteur de rayonnement électromagnétique et peuvent comprendre respectivement au moins un élément détecteur de rayonnement électromagnétique, par exemple un détecteur de rayons X, ainsi qu'au moins un circuit électronique associé au détecteur .
Selon une variante, les cellules élémentaires peuvent être par exemple des cellules d'une matrice de lecture, les cellules étant associées respectivement à un élément photoconducteur, par exemple de type CdTe, CdZnTe, PbI2, HgI2, PbO, Se, hybride ou assemblé ou déposé sur la matrice.
L'invention peut s'appliquer à d'autres types de dispositifs microélectroniques matriciels de grande taille.
La matrice de cellules élémentaires peut avoir une taille, importante, par exemple de l'ordre d'une dizaine de centimètres carré ou de plusieurs centaines de centimètres carrés, par exemple une dimension de l'ordre de 10 cm x 10 cm ou de 20 cm x 20 cm.
Dans le cas d'une matrice de détecteurs de rayons X, les cellules élémentaires peuvent comprendre respectivement un photodétecteur sensible à la lumière visible par exemple sous forme d'une photodiode, ou d'un phototransistor, couplé (e) à une ou plusieurs couches scintillatrices à base de CsI, ou de Gd2O2S par exemple, qui permettent la détection des photons X et les transforment en photons visibles. Des composants, par exemple réalisés en technologie CMOS, assurent la détection en transformant les photons visibles en charges électriques.
Sur la figure 2, un exemple de réalisation, est donné avec n = 2 et m = 2 cellules élémentaires lOOn, IQOi2, 1002i, 10O22. Chaque cellule élémentaire ou pixel du dispositif matriciel comporte des transistors T2, T3. Dans cet exemple, chaque cellule comporte également une photodiode 110 et un transistor Ti. Un premier transistor Ti permet d' initialiser ou de réinitialiser la tension de la photodiode, à un potentiel V_ran dit de réinitialisation, lorsque qu'une phase de commande ou un signal de commande Phi_ran est actif et appliqué sur le premier transistor Ti. Le premier transistor Ti peut être agencé de manière à avoir une électrode de grille connectée à une ligne conductrice 101, par exemple d'une rangée horizontale de la matrice, acheminant le signal de commande Phi ran, et une électrode de drain connectée à une ligne conductrice 102, par exemple d'une rangée horizontale, mise au potentiel de réinitialisation V_ran. Lorsque le signal de commande Phi ran est actif, par exemple lorsqu' il est mis à un état haut, la source du premier transistor interrupteur Ti est mise au potentiel de réinitialisation.
En fonction de l' éclairement reçu, le potentiel de cathode de la photodiode 110 décroît. Pour lire le potentiel de cathode de la photodiode, à la fin d'un temps d'intégration, on rend passant un transistor T3, qui a un rôle d'un deuxième interrupteur, commandé à l'aide d'un signal de sélection Phi ligne acheminé par une ligne conductrice 104, par exemple d'une rangée horizontale de la matrice. Selon une possibilité de réalisation, le signal de sélection Phi_ligne peut être un signal de sélection commun à toutes les cellules d'une même rangée horizontale. La matrice peut opérer en intégration de charges, de sorte que les photodiodes 110 intègrent et stockent les charges pendant un temps d' intégration déterminé. Le temps d'intégration d'une image ou cycle de lecture peut être le temps entre deux commandes émises sur la grille du transistor Ti d'un pixel.
Le transistor T2 forme un suiveur et comporte une grille connectée à la photodiode 110 et un drain connecté à une ligne conductrice 103, par exemple d'une rangée horizontale, acheminant un potentiel de polarisation Vdd, par exemple de l'ordre de 3.3 V. Les potentiels V_ran et Vdd peuvent être identiques. La matrice comporte également une pluralité de m (dans cet exemple m = 2) lignes 105i, 1052, de données, prévues respectivement pour acheminer le potentiel de sortie d'au moins une cellule à laquelle elles sont connectées et qui a été sélectionné à l'aide du signal de sélection phi ligne. Les pixels suivant chaque colonne sont connectés à une ligne de données commune, à laquelle le transistor T3 interrupteur respectif des pixels d'une même colonne est connecté. Le deuxième transistor T2 est prévu pour recopier le potentiel de la photodiode 110, et le reproduire à un décalage de tension près. Le potentiel de sortie d'une cellule est ensuite lu sur une sortie S située en bout de colonne, à l'extrémité d'une ligne 105i, 1052 de données.
Selon une possibilité de mise en œuvre du dispositif, et en particulier de la manière de lire les grandeurs détectées par les pixels, le signal de sélection Phi ligne d'une rangée i (avec 1 ≤ i ≤ n) de la matrice peut être le même que la phase Phi_ran d'une rangée i-1, voisine de la rangée i.
Le dispositif comporte également un ou plusieurs circuits d'adressage (non représentés), par exemple sous forme de registres à décalage, et prévus pour générer les signaux Phi ligne et Phi ran. Des signaux aux différentes sorties S situées à l'extrémité des lignes de données 105i, 1052, sont ensuite multiplexes dans un registre (non représenté) , de façon à obtenir le signal représentatif d'une rangée horizontale de pixels. Les différentes sorties S situées à l'extrémité des lignes de données 105i, 1052, peuvent être reliées à des amplificateurs suiveurs 120 de résistance d'entrée élevée. En bout, ou à l'extrémité de chaque ligne de données 105i, 1052 de la matrice, des moyens 150 de précharge pour appliquer un potentiel de précharge, par exemple préalablement à une lecture de données de cette ligne de données sont prévus. Les moyens 150 de précharge peuvent être sous forme d'un transistor interrupteur T6 dont l'état passant et l'état bloqué sont commandées par un signal de commande de précharge phi_précharge, appliqué sur la grille du transistor T6, et qui est prévu pour appliquer, lorsqu'il est passant, un potentiel V_précharge au bout ou à l'extrémité de la colonne, et en particulier à l'entrée d'un suiveur 120. Le potentiel V_précharge peut être appliqué sur le drain du transistor T6. Le potentiel de précharge est un potentiel de valeur prédéterminée, prévue de manière à augmenter le courant de sortie d'une cellule sélectionnée de la matrice, lorsque le potentiel de précharge est appliqué.
Le signal phi_précharge peut être prévu pour être activé, par exemple pendant un temps situé entre une commande de lecture d'une rangée horizontale i de la matrice et une commande de lecture d'une rangée i+1 suivante de la matrice.
Dans le cas où les transistors T2 et T3 sont de type N, le potentiel appliqué V_précharge en bout de colonne est choisi inférieur au plus faible potentiel auquel la source du deuxième transistor T2 peut être placé. Le potentiel appliqué V_précharge peut être par exemple de l'ordre de 0 volt.
Pour effectuer une lecture, le transistor T6 de précharge est mis dans un état bloqué. On peut sélectionner ensuite une ligne par l'intermédiaire du signal de sélection phi_ligne, de sorte que les deuxièmes transistors T3 de cette ligne deviennent passants. Le potentiel de précharge étant choisi faible, les transistors T2 suiveurs de la ligne i sélectionnée ont alors une tension grille-source Vgs importante, un courant de conduction élevé, qui fait remonter le potentiel en bout de colonne, ce qui a ensuite pour effet d' entrainer une diminution du courant dans les transistors T2.
Dans un tel dispositif, l'impédance de sortie formée par le transistor T2 et la ligne de données peut être très faible lorsqu'on applique le potentiel de précharge, ce qui permet d'atteindre rapidement une valeur de tension en sortie S proche de la valeur finale souhaitée. Un tel dispositif permet également, d'obtenir une consommation totale plus faible qu'avec un dispositif tel que décrit en liaison avec la figure 1 car la consommation n'étant que transitoire. Un tel dispositif permet ainsi une lecture rapide de données, à faible consommation.
Les effets de trainage peuvent être également supprimés avec un tel dispositif, dans la mesure où, avec les moyens de précharge, un effacement du contenu d'une ligne de données peut être mis en œuvre, avant de passer à la ligne de données suivante.
Une ou plusieurs capacités additionnelles (non représentées) peuvent être mises en œuvre, soit à l'extrémité de la rangée verticale dans le cas d'une capacité unique additionnelle, soit intégrée au pixel. Une courbe Cio représentative de l'établissement du potentiel de sortie Vs à l'extrémité S d'une ligne de donnée de la matrice, avec un modèle de transistor en forte inversion, est donnée sur la figure 3. Sur cette figure, une autre courbe C20, est quant à elle représentative de l'établissement du potentiel de sortie à l'extrémité d'une rangée verticale de la matrice, avec un modèle en faible inversion en fin de transitoire. Sur des chronogrammes C30 et C4o, des exemples de signaux de précharge phi précharge et de commande de ligne phi ligne sont quant à eux donnés. Dans cet exemple, le signal de commande de précharge phi_précharge est activé (chronogramme C30 à l'état haut) puis la lecture de la sortie de la cellule est effectuée (chronogramme C4o à l'état haut) . II est également possible de réaliser une précharge d'une colonne ou rangée verticale de la matrice sur laquelle se trouve un pixel donné, pendant le début de l'adressage de la ligne de données sur laquelle se trouve ce pixel donné.
Une variante de l'exemple du dispositif microélectronique qui vient d'être décrit, est illustrée sur la figure 4, et prévue, pour améliorer l'établissement de la tension en bout de colonne. Dans cette variante, suivant l'invention, une source de courant 160 supplémentaire est mise en œuvre dans chacun des pixels. Cette source de courant 160 peut être formée d'un transistor T4 dont la grille est mise à un potentiel de polarisation Vpol, intégré à chaque cellule ou pixel, et polarisé en régime de saturation et d'un transistor interrupteur T5. La source de courant 160, et en particulier le transistor interrupteur T5 peut être commandé (e) par le signal de sélection phi_ligne qui permet également de commander le transistor interrupteur T3.
Un exemple de fonctionnement d'un tel dispositif peut être le suivant : lorsqu'une rangée horizontale de la matrice est adressée, deux courants s'additionnent dans le transistor T2 : un premier courant correspondant à la charge de la capacité équivalente de la ligne de données qui a été préchargée au potentiel V_précharge par le transistor T6, et un deuxième courant délivré par la source de courant 160 formée par le transistor T4 et le transistor T5. Au départ, lorsque le potentiel V_précharge est appliqué, le premier courant est prépondérant, puis c'est le courant généré par le courant T4 qui devient prépondérant, de sorte que le transistor T2 n'est jamais très résistif, ce qui permet l'établissement du potentiel de sortie Vs avec une rapidité accrue de. Un exemple de courbe C5o d'établissement du potentiel de sortie Vs à l'extrémité d'une ligne de données du dispositif microélectronique qui vient d'être décrit, est illustré sur la figure 5. La valeur finale du potentiel Vs est égale, à un décalage K prêt, au potentiel Vphotodiode, i.e. celui à la cathode de la photodiode, moins la tension de seuil Vτ .
A titre de comparaison, la courbe C20 d'établissement du potentiel de sortie Vs à l'extrémité d'une ligne de données du dispositif microélectronique qui a été décrit en liaison avec la figure 3, est donnée .

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif microélectronique matriciel comprenant : - une pluralité de cellules élémentaires
(lOOn, ..., lOOmn) agencées selon une matrice,
- au moins une ligne (105i, 1052) de données, connectée à une pluralité de cellules d'au moins une rangée donnée de cellules de la matrice, et apte à acheminer au moins un signal de sortie d'au moins une cellule donnée sélectionnée dans ladite rangée donnée,
- des moyens de précharge (150), situés à une extrémité de ladite ligne de données, pour appliquer, en fonction d'un signal de commande de précharge (phi_précharge) , un potentiel de précharge
(V_précharge) à ladite ligne de données, préalablement à une sélection, à l'aide d'au moins un signal de sélection (phi_ligne) de ladite cellule donnée ou lors d'une sélection de ladite cellule donnée à l'aide d'au moins un signal de sélection (phi_ligne) de ladite cellule donnée, les cellules élémentaires comportant respectivement : des moyens générateurs (160) de courant commandés par ledit signal de sélection (phi_ligne) .
2. Dispositif microélectronique matriciel selon la revendication 1, dans lequel le signal de sortie de ladite cellule donnée est sous forme d'un potentiel de sortie, le potentiel de précharge (V précharge) étant prévu de manière à, lorsqu'il est appliqué, augmenter le courant de sortie de la cellule donnée .
3. Dispositif microélectronique matriciel selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la matrice est agencée de sorte que le signal de sélection de la cellule donnée (phi_ligne) est un signal de sélection d'une ieme rangée de cellules à laquelle appartient ladite cellule donnée et qui est orthogonale à ladite rangée donnée, le signal de commande de précharge (phi_précharge) étant activé après une activation d'une (i-l)eme rangée de cellules orthogonale à ladite rangée donnée, et avant une activation du signal de sélection (phi_ligne) de ladite ieme rangée de cellules de la matrice orthogonale à ladite rangée donnée.
4. Dispositif microélectronique matriciel selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le signal de sélection (phi_ligne) est un signal de sélection d'une ieme rangée de cellules de la matrice à laquelle appartient ladite cellule donnée et qui est orthogonale à ladite rangée donnée, le signal de commande de précharge (phi_précharge) étant activé pendant une activation du signal de sélection (phi_ligne) de ladite ieme rangée de cellules de la matrice orthogonale à ladite rangée donnée.
5. Dispositif microélectronique matriciel selon l'une des revendications 1 à 4, les moyens de précharge comprenant au moins un transistor (T6) , dont la grille est commandée par ledit signal de commande de précharge (phi_précharge) , et dont une électrode est mise au potentiel de précharge (V_précharge) .
6. Dispositif microélectronique matriciel selon la revendication 1 à 5, dans lequel ladite extrémité de ladite ligne de données comporte des moyens formant un amplificateur suiveur (120i, 12O2) , les moyens de précharge étant situés en entrée dudit amplificateur suiveur.
7. Dispositif microélectronique selon l'une des revendications 1 à 6, les cellules élémentaires comportant respectivement : au moins un élément détecteur (110) de rayonnement électromagnétique, tel qu'un photodétecteur, apte à délivrer un signal analogique de sortie susceptible de varier au moins en fonction de quantités de photons reçues par le photo-détecteur.
8. Dispositif microélectronique selon la revendication 7, le détecteur étant un détecteur de rayons X.
9. Dispositif microélectronique selon l'une des revendications 7 ou 8, les cellules élémentaires comportant respectivement : des moyens de réinitialisation, pour réinitialiser, en fonction d'un signal de commande de réinitialisation (phi_ran) , le signal de sortie dudit élément détecteur (110) .
10. Dispositif microélectronique matriciel selon la revendication 9, lesdits moyens de réinitialisation comprenant au moins un transistor interrupteur (Ti) dont la grille est commandée par ledit signal de commande de réinitialisation (phi_ran) , et dont une électrode est mise à un potentiel de réinitialisation (V_ran) .
11. Dispositif microélectronique selon l'une des revendications 7 à 10, les cellules élémentaires (10On, ..., 100mn) comportant respectivement ou étant respectivement associés à : des moyens d'amplification du signal analogique de sortie dudit élément détecteur (110) .
12. Dispositif microélectronique matriciel selon la revendication 11, lesdits moyens d'amplification comprenant au moins un transistor amplificateur (T2) dont la grille reçoit le signal de sortie dudit élément détecteur (110), et dont une électrode est mise à un potentiel d'alimentation (Vdd) .
13. Dispositif microélectronique selon l'une des revendications 1 à 12, les cellules élémentaires comportant respectivement : des moyens interrupteurs (T3) , aptes à appliquer, en fonction du signal de commande (phi ligne) de sélection, la sortie de ladite cellule (100i) sélectionnée à une ligne de données (105i) .
14. Dispositif microélectronique matriciel selon la revendication 13, lesdits moyens interrupteurs comprenant au moins un transistor (T3) dont la grille reçoit le signal de commande (phi ligne) de sélection, et dont une électrode est connectée à au moins un transistor amplificateur (T2) dont la grille reçoit le signal de sortie dudit élément détecteur (150), et dont une électrode est mise à un potentiel de polarisation (Vdd) .
15. Dispositif microélectronique matriciel selon la revendication 14, les moyens générateurs de courant comprenant au moins un transistor générateur (T4) de courant dont la grille est mise à un potentiel d'alimentation (Vpol) et au moins un transistor interrupteur (T5) dont la grille est commandée par ledit signal de sélection (phi ligne) .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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