專(zhuān)利名稱(chēng)：光電傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電傳感器，其包括至少一個(gè)光電二極管，該光電二極管經(jīng)由第一晶體管被連接到第一電位。
背景技術(shù)：
以CMOS技術(shù)來(lái)實(shí)施圖像傳感器程度越來(lái)越大。與CCD技術(shù)相比較，此技術(shù)使產(chǎn)生響應(yīng)輸入信號(hào)的輸出信號(hào)的非線(xiàn)性特性曲線(xiàn)成為可能。
對(duì)于等灰度分辨率，與線(xiàn)性特性曲線(xiàn)相比，非線(xiàn)性特性曲線(xiàn)使處理圖像內(nèi)更高的對(duì)比度而沒(méi)有圖像飽和出現(xiàn)成為可能。
在過(guò)去，非線(xiàn)性特性曲線(xiàn)已用各種方式產(chǎn)生。例如，US 4,473,836描述了通過(guò)對(duì)數(shù)壓縮的非線(xiàn)性特性曲線(xiàn)的產(chǎn)生。WO 01/46655描述了通過(guò)結(jié)合的線(xiàn)性-對(duì)數(shù)壓縮的非線(xiàn)性特性曲線(xiàn)的產(chǎn)生。其它來(lái)源使用所謂的箝位(clamping)用于此目(T.F.Knight，PhD.Thesis，MIT，June 1983)。原則上，這總含有在高光能量時(shí)光電傳感器的靈敏度的降低。另一方面，略取(skimming)方法(參看例如IEEE Transactions on circuits andsystems for video technology，Vol.7，No 4，August 1997)使在低光學(xué)強(qiáng)度時(shí)增加靈敏度成為可能。
為了記錄快速移動(dòng)的圖像，或者通過(guò)脈沖光源(閃光燈)被照亮的場(chǎng)面，具有所謂“全局快門(mén)(global shutter)”曝光控制的傳感器被使用。這意味著傳感器通過(guò)像素中的“采樣和保持”組件使儲(chǔ)存積分信號(hào)值直到讀出時(shí)間成為可能。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的是提供一種光電傳感器，其具有增加的動(dòng)態(tài)范圍以及“全局快門(mén)”曝光控制。這基本上含有在高光能量時(shí)限制傳感器靈敏度并且，同時(shí)使在低光學(xué)強(qiáng)度下增加靈敏度成為可能。本發(fā)明涉及包括至少一個(gè)光電二極管的光電傳感器，該光電二極管可經(jīng)由第一晶體管或第一二極管被連接到第一電位。
此目的被實(shí)現(xiàn)為光電二極管可經(jīng)由第二晶體管被進(jìn)一步連接到讀出放大器的輸入，第三晶體管被進(jìn)一步設(shè)置在第二晶體管和讀出放大器的輸入之間，經(jīng)由第三晶體管讀出放大器的輸入可被連接到的第二電位。此外還有裝置(C2)，其允許積分的信號(hào)值的暫時(shí)儲(chǔ)存直到讀出時(shí)間。
因此本發(fā)明的關(guān)鍵是結(jié)合了在低光學(xué)強(qiáng)度時(shí)增加靈敏度的可能性和在高光能量時(shí)降低靈敏度的的可能性，并且同時(shí)保留“全局快門(mén)”曝光控制。
本發(fā)明提出一種電路，其適合于集成成光電傳感器元件(圖像傳感器)的一維或二維陣列，并且通過(guò)增加對(duì)于低強(qiáng)度的光學(xué)信號(hào)的靈敏度和通過(guò)降低對(duì)于高強(qiáng)度的光學(xué)信號(hào)的靈敏度使產(chǎn)生非線(xiàn)性特性曲線(xiàn)成為可能。所提出的電路可同樣用于二維陣列并通過(guò)用于雙采樣的信號(hào)時(shí)序來(lái)讀出。
根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實(shí)施例，在第一晶體管的情形中，第一和第二電位處于基本上相同的電壓電平。在第一二極管的情形中，此電路不是可能的，因?yàn)樵谠撉樾沃械谝浑娢槐仨毐华?dú)立于第二電位調(diào)節(jié)以控制有效的二極管閾電壓?！安蓸雍捅３帧苯M件優(yōu)選地由第二晶體管和被連接到讀出緩沖器的輸入的寄生電容來(lái)產(chǎn)生。在用于小信號(hào)的放大模式中，這些寄生電容同樣形成轉(zhuǎn)換電容器。為了更好地控制此轉(zhuǎn)換電容器，到地電位的額外電容器可被連接到此節(jié)點(diǎn)。此電容通常在幾毫微微法(femtofarad)的范圍。為了允許小信號(hào)的放大，被連接到讀出緩沖器的輸入的總電容必須小于光電二極管的寄生電容。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，讀出放大器或者讀出緩沖器的輸出經(jīng)由行選擇晶體管被連接到列總線(xiàn)。典型地，在該電路中所使用的所有晶體管都被設(shè)計(jì)為MOS晶體管。下列描述是基于N型MOS晶體管(NMOS)的實(shí)施，但是本發(fā)明也覆蓋P型MOS晶體管或者兩種晶體管類(lèi)型的結(jié)合的可能實(shí)施。當(dāng)PMOS晶體管被實(shí)施時(shí)，所有的電壓都相對(duì)于此處所描述的NMOS晶體管被反轉(zhuǎn)，這對(duì)于熟悉本技術(shù)的讀者是已知并明顯的。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例區(qū)別在于第二晶體管的柵電壓被控制，從而使由光電二極管所產(chǎn)生的電流只在積分時(shí)間的第一階段對(duì)讀出放大器的輸入處的電容器放電，并且第一晶體管的柵電壓，或者相應(yīng)地，第一二極管的情形中的第一電位被控制，從而使由光電二極管所產(chǎn)生的電流的一些或者全部通過(guò)第一晶體管的溝道或者相應(yīng)地通過(guò)第一二極管在積分時(shí)間的最后階段被補(bǔ)償。此操作確保對(duì)于高強(qiáng)度靈敏度被降低并且對(duì)于低強(qiáng)度靈敏度被增加。依據(jù)強(qiáng)度，這樣的傳感器將在全部積分時(shí)間內(nèi)停留在第一階段(低信號(hào))或者繼續(xù)到最后階段(大信號(hào))。典型地，電壓在此情形中被調(diào)節(jié)，從而使第一晶體管的柵電壓低于第二晶體管的柵電壓，并且從而使第一晶體管的柵電壓比讀出緩沖器的飽和信號(hào)高至少一個(gè)閾電壓。在使用二極管代替第一晶體管的情形中，二極管的陽(yáng)極電壓(第一電位)被調(diào)節(jié)，從而使陽(yáng)極電壓減去二極管閾電壓低于柵電壓減去第二晶體管的閾電壓并且從而使陽(yáng)極電壓減去二極管閾電壓大于讀出緩沖器的飽和信號(hào)。于是證明調(diào)節(jié)到所述柵電壓(或者相應(yīng)地，所述柵電壓和二極管情形中的陽(yáng)極電壓)是有利的，從而使該兩個(gè)電壓之間的差大于閾電壓的容限加上所述電壓值的容限，此差具體來(lái)說(shuō)最好被選擇為＞100mV。這對(duì)應(yīng)于nW/cm2到mW/cm2范圍內(nèi)的典型的光強(qiáng)度。
在積分時(shí)間之后，第二晶體管被斷開(kāi)從而使轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)(儲(chǔ)存節(jié)點(diǎn))與光電二極管隔離。在此階段，直到讀出階段的結(jié)束，第一晶體管的柵被保持在比地電壓高出至少一個(gè)閾電壓的電位。在第一二極管的情形中，后者將被類(lèi)似地調(diào)節(jié)到第一電位加上有效的二極管閾電壓。這確保了由光電二極管所積累的電荷載流子沒(méi)有完全對(duì)光電二極管進(jìn)行放電并且溢出到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，但是通過(guò)第一晶體管的溝道或者相應(yīng)地第一二極管被補(bǔ)償，如果光電二極管的電位達(dá)到接近地電壓的值(大的光學(xué)強(qiáng)度)。
在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，第一和第二晶體管的柵電壓在積分時(shí)間內(nèi)可被改變。傳感器或者傳感器陣列的特性響應(yīng)曲線(xiàn)(作為強(qiáng)度函數(shù)的靈敏度)可因此被更可變地調(diào)節(jié)，如果需要的話(huà)，或者相應(yīng)地依據(jù)入射光在傳感器元件陣列上的強(qiáng)度分布。在“保持”階段內(nèi)，則應(yīng)該注意第一晶體管的柵電壓停留在至少防止光電二極管的完全放電的值，但是低于積分階段內(nèi)第二晶體管的柵電壓所用的最小值。類(lèi)似地，第一二極管必須由此經(jīng)由第一電位控制。
根據(jù)本發(fā)明的光電傳感器的其它優(yōu)選實(shí)施例在從屬的權(quán)利要求中被描述。
此外，本發(fā)明還涉及用于操作如上所述的光電傳感器的方法。具體來(lái)說(shuō)，該方法的區(qū)別在于第一晶體管的柵電壓，或者相應(yīng)地第一二極管的情形中的第一電位，被相應(yīng)調(diào)節(jié)或者控制從而使在積分時(shí)間的第一階段中由光電二極管積累的電荷載流子只對(duì)的轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)電容器放電，在光電二極管的輸出處和讀出放大器的輸入處相等的電位已經(jīng)被達(dá)到之后的第二階段中，由光電二極管積累的電荷載流子對(duì)光電二極管電容器和所述轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)電容器二者放電，并且在光電二極管的輸出已經(jīng)落到第一晶體管的閾值或者相應(yīng)地第一二極管的二極管閾值以下之后，在第三階段中由光電二極管積累的電荷載流子至少部分經(jīng)由第一晶體管或者相應(yīng)地經(jīng)由第一二極管成為可利用的，并且在積分時(shí)間過(guò)去之后第二晶體管被斷開(kāi)并且第一晶體管的柵電壓，或者相應(yīng)地第一二極管情形中的第一電位被調(diào)節(jié)從而防止光電二極管的完全放電。此操作模式實(shí)現(xiàn)了前述的對(duì)于高強(qiáng)度的靈敏度的降低以及相應(yīng)地對(duì)于低強(qiáng)度的靈敏度的增加，以及在積分時(shí)間已經(jīng)過(guò)去之后儲(chǔ)存像素中的信號(hào)值直到讀出時(shí)間的可能性(“全局快門(mén)”曝光控制)。優(yōu)選地，然后可采用在復(fù)位階段內(nèi)或者在積分階段內(nèi)調(diào)節(jié)第二晶體管的柵電壓的步驟，從而使柵電壓減去閾電壓低于在讀出放大器的輸入處建立的復(fù)位電壓，并且從而使柵電壓比讀出緩沖器的飽和電壓高出至少一閾電壓。第一晶體管的柵電壓在復(fù)位階段內(nèi)被調(diào)節(jié)到將在積分階段內(nèi)使用的最高值，但是至少比地電壓高出閾電壓并且低于第二晶體管的柵電壓。在保持階段內(nèi)，第一晶體管的柵電壓值被調(diào)節(jié)到與復(fù)位階段內(nèi)相同的值，但是至少比地電壓高出閾電壓。
如以上更一般地?cái)⑹觯鶕?jù)所述方法的優(yōu)選實(shí)施例第二晶體管的柵電壓在積分階段內(nèi)可被改變，盡管它一直停留在比第一晶體管的柵電壓大，并且第一晶體管的柵電壓在積分階段內(nèi)優(yōu)選地被接連地降低。
此外，在積分時(shí)間內(nèi)進(jìn)一步可能保持第一晶體管的柵電壓恒定或者連續(xù)地降低它。另外，可以采用第二晶體管的柵電壓被切換至少一次的步驟，從而使它等于此晶體管的體電位并且被再一次切換回它的最初值。
本發(fā)明進(jìn)一步涉及如上所述的光電二極管傳感器的一維或者二維陣列。它還涉及用于操作這種陣列的方法。


下面將關(guān)于附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)地解釋?zhuān)渲袌D1示出在高強(qiáng)度時(shí)靈敏度降低的光電傳感器的電路圖；圖2示出在高強(qiáng)度時(shí)靈敏度降低的具有快門(mén)晶體管和轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)電容器的光電傳感器的電路圖；圖3示出具有大動(dòng)態(tài)范圍的光電傳感器的電路圖(根據(jù)本發(fā)明的電路的優(yōu)選實(shí)施例)；圖4示出在低強(qiáng)度時(shí)具有增加的靈敏度的光電傳感器的電路圖；以及圖5示出具有大動(dòng)態(tài)范圍的光電傳感器的電路圖，其中第一晶體管被二極管替換。
具體實(shí)施例方式
A)在高光學(xué)強(qiáng)度時(shí)降低靈敏度的非線(xiàn)性特性曲線(xiàn)在集成的光檢測(cè)器中，光產(chǎn)生的電荷由反向偏置光電二極管1積累并在光電二極管的寄生電容和連接到該光電二極管的電容器上被積分。
如果在積分電容C1，C2已經(jīng)達(dá)到某一信號(hào)電平之后信號(hào)相關(guān)的電流被排除，在高強(qiáng)度時(shí)靈敏度的降低可被實(shí)現(xiàn)(例如，這在前述的WO01/46655中被提出)。在積分時(shí)間內(nèi)如果在根據(jù)圖1到圖3之一的像素圖中MOS晶體管T1的柵被偏置從而使超出想要的信號(hào)值，MOS晶體管T1通過(guò)閾下電導(dǎo)(在閾值之下的電導(dǎo))從積分電容器C1放電信號(hào)相關(guān)的電流。在積分時(shí)間內(nèi)，此晶體管T1的柵的偏置可被適配從而使不同的有效積分時(shí)間被產(chǎn)生用于不同的光學(xué)強(qiáng)度。這在如下以依靠P型基底的N型光電二極管以及以N溝道MOS晶體管的實(shí)施例來(lái)實(shí)施在積分時(shí)間的開(kāi)始之前，圖1到圖3中的復(fù)位晶體管T1的柵被偏置到至少高于復(fù)位電位Vreset的閾值。圖1中的積分電容器C1，或者相應(yīng)地圖2和圖3中的C1和C2，由此被充電到復(fù)位電位Vreset。在積分時(shí)間的開(kāi)始，復(fù)位晶體管T1的柵被偏置(VG1)到低于復(fù)位電位加上閾電壓的值，但是比讀出緩沖器的飽和電壓高出至少一閾電壓。由光電二極管1積累的電流，其線(xiàn)性響應(yīng)于入射光強(qiáng)度，對(duì)積分電容器C1放電，或者相應(yīng)地C1和C2。對(duì)于相對(duì)高的光學(xué)強(qiáng)度，在積分時(shí)間之內(nèi)積分電容器將放電到值VG1-VTH(T1的閾電壓)。從該時(shí)間向前，晶體管T1從積分電容器放電由光電二極管1所產(chǎn)生的一些電流。在積分電容器處的電壓現(xiàn)在更慢地減少直到它最后穩(wěn)定在一個(gè)值，對(duì)于該值由光電二極管1所產(chǎn)生的全部電流經(jīng)由晶體管T1被補(bǔ)償。在積分時(shí)間的第二半中，例如在積分時(shí)間的90％之后，復(fù)位晶體管T1的柵被偏置到更低的值VG2。這停止了由光電二極管1所產(chǎn)生的電流的補(bǔ)償。積分電容器再一次被放電全部的光電流。由于直到積分時(shí)間結(jié)束的更短的時(shí)間跨度保持，這導(dǎo)致對(duì)于已經(jīng)在第一時(shí)間間隔中放電積分電容器到VG1-VTH的光學(xué)強(qiáng)度的靈敏度。
通過(guò)附加的進(jìn)一步的步驟該特性曲線(xiàn)可被適合于要求。
B)通過(guò)增加對(duì)于小信號(hào)的靈敏度的非線(xiàn)性特性曲線(xiàn)在CMOS技術(shù)中增加集成的光電傳感器的靈敏度可通過(guò)降低將光生電荷轉(zhuǎn)換到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換電容來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常，該電容通過(guò)光電二極管的寄生電容和連接到該光電二極管的讀出電子設(shè)備的寄生電容來(lái)形成。通過(guò)在已知的技術(shù)中生產(chǎn)的最小結(jié)構(gòu)這些電容只可被降低到有限程度。通過(guò)在光電二極管和讀出緩沖器之間添加MOS晶體管及該晶體管柵電壓的合適偏置，將光電二極管的寄生電容從轉(zhuǎn)換電容器分離出來(lái)是可能的。
使這點(diǎn)成為可能的光電傳感器的實(shí)例電電路在圖4中被給出。
在第一階段，通過(guò)閉合復(fù)位晶體管T5，轉(zhuǎn)換電容C2被充電到復(fù)位電壓Vreset。在復(fù)位階段內(nèi)晶體管T2的柵被保持在恒定電壓VGT2。此電壓被選擇為使得MOS晶體管T2的柵電壓減去閾電壓小于通過(guò)打開(kāi)復(fù)位晶體管T5在轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)N3處實(shí)現(xiàn)的復(fù)位電壓。然而，該柵電壓被選擇為比晶體管T2的體電位高出一閾電壓。因此在復(fù)位期間光電二極管1不處于復(fù)位電位，但是被穩(wěn)定在電位VGT2-VTH。
由光電二極管收集的電荷載流子在晶體管T2中產(chǎn)生電流，其對(duì)轉(zhuǎn)換電容器C2放電。因此維持了光電二極管1的反向偏置電壓。結(jié)果，光電二極管1的寄生電容C1不放電，并且對(duì)于積累在C2上的特定量的電荷而產(chǎn)生的電壓信號(hào)大于當(dāng)轉(zhuǎn)換電容器被直接連接到光電二極管1時(shí)。只要在轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)N3的電壓大于在光電二極管(N1)處的電壓，此增加的靈敏度就被實(shí)現(xiàn)。一旦這兩個(gè)電壓相等，光電二極管和轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)N3的寄生電容就均勻地放電。因此對(duì)于較大的信號(hào)靈敏度被降低。
積分時(shí)間的結(jié)束可通過(guò)將T2處的柵電壓降低到低于體電位加上閾電壓(斷開(kāi)C2)的電位以及采樣C2上的電壓信號(hào)或者通過(guò)讀出并且導(dǎo)致該復(fù)位來(lái)確定。光電二極管可在保持階段內(nèi)進(jìn)一步放電。這樣的效果可以是光電二極管完全放電，并且光產(chǎn)生的電荷經(jīng)過(guò)基底溢流到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)并且然后偽造該信號(hào)值被讀出。本發(fā)明提供此問(wèn)題的解決方案。
在積分時(shí)間內(nèi)，晶體管T2的柵電壓可被修改以借助信號(hào)相關(guān)的電荷注入增加靈敏度。(例如，重復(fù)關(guān)斷并閉合VGT2。)根據(jù)本發(fā)明，然后下列步驟被采用根據(jù)本發(fā)明的光電傳感器的示例性實(shí)施例的電路圖在圖3中被描述。根據(jù)本發(fā)明的光電傳感器具有光電二極管1，其借助于MOS晶體管T1可被連接到復(fù)位電壓Vreset。該傳感器還具有MOS晶體管T2，其將該光電二極管連接到讀出緩沖器T3。讀出緩沖器T3的輸入端子通過(guò)MOS晶體管T5進(jìn)一步被連接到復(fù)位電位。
在該傳感器的本發(fā)明的控制中，晶體管T2的柵端子在復(fù)位和積分階段期間被偏置從而使柵電壓減去閾電壓低于復(fù)位電位，其被建立在讀出緩沖器N3的輸入處，但是比讀出緩沖器T3的飽和信號(hào)高至少一閾電壓。
晶體管T1的柵被偏置從而使它的電位低于T2的柵電位，但是比讀出緩沖器T3的飽和信號(hào)高至少一個(gè)閾電壓。該兩個(gè)柵電壓之間的差應(yīng)該大于閾電壓的容限加上電壓值的容限(典型地＞100mV)。
在積分階段內(nèi)，晶體管T2的電位可以被改變但是應(yīng)該一直保持在大于晶體管T1的柵電位。
晶體管T1的柵電位可在積分階段內(nèi)被降低。
在積分時(shí)間的第一階段中，由光電二極管1積累的電荷載流子只放電轉(zhuǎn)換電容器C2，并且每個(gè)電荷載流子產(chǎn)生最大電壓信號(hào)。對(duì)于相對(duì)小的光學(xué)強(qiáng)度，根據(jù)本發(fā)明的傳感器在全部積分時(shí)間都停留在此階段。
在積分時(shí)間的第二階段中，節(jié)點(diǎn)N1和N3處的電位相等。在此階段中，由光電二極管1收集的電荷載流子均勻地放電光電二極管1的寄生電容C1，及轉(zhuǎn)換電容器C2，并且每個(gè)電荷載流子產(chǎn)生中等的電壓信號(hào)。對(duì)于中等的光學(xué)強(qiáng)度，根據(jù)本發(fā)明的傳感器停留在此階段直到積分時(shí)間的結(jié)束。
在積分時(shí)間的第三階段中，光電二極管1和讀出節(jié)點(diǎn)的寄生電容被放電直到由光電二極管產(chǎn)生的電流的一些或者全部借助于晶體管T1被補(bǔ)償。依據(jù)在特性曲線(xiàn)的該部分是否需要對(duì)數(shù)響應(yīng)或者局部線(xiàn)性響應(yīng)，T1的柵電位可以由已知的技術(shù)被逐步地或者連續(xù)地降低，或者被保持在合適的固定值。
在積分時(shí)間的結(jié)束，通過(guò)將T2的柵電位降低到低于體電位加上閾電壓(斷開(kāi)T2)的值，在節(jié)點(diǎn)N3處建立的電壓信號(hào)被采樣。直到電壓信號(hào)被讀出，T1的柵電位保留比地電位高出至少一閾電壓。這防止寄生光電二極管電容完全放電，并防止剩余的電荷溢流到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。在N3處的電壓信號(hào)已經(jīng)借助于讀出緩沖器讀出之后，節(jié)點(diǎn)N3借助于復(fù)位晶體管T5被帶到復(fù)位電位Vreset并且晶體管T1的柵被設(shè)置為積分時(shí)間的開(kāi)始處的值。
圖5示出可選擇的電路，其中第一晶體管T1被二極管D1代替。為了使此二極管完成類(lèi)似的任務(wù)，在此情形中二極管D1和晶體管T5的復(fù)位電位必須被使得不同。復(fù)位電位Vreset1被施加到二極管D1(在可選擇的實(shí)施例中，在積分時(shí)間內(nèi)此電位可被控制)而電位Vreset2被分別施加到晶體管T5或者T3。
根據(jù)圖5的這種電路中，如果在積分電容C1，C2已經(jīng)達(dá)到某一信號(hào)電平之后特定的信號(hào)相關(guān)的電流被排除，對(duì)于高強(qiáng)度的靈敏度的降低可被實(shí)現(xiàn)(例如，這在前述的WO 01/46655中被提出)。在根據(jù)圖5的像素圖中，這被實(shí)現(xiàn)是通過(guò)在積分階段調(diào)節(jié)二極管D 1的復(fù)位電壓Vreset1，使得超出想要的信號(hào)值，通過(guò)閾值以上的電導(dǎo)，二極管D1從積分電容器C1放電信號(hào)相關(guān)的電流。在積分時(shí)間內(nèi)，在二極管D1處的電壓Vreset1被適配使得對(duì)于不同的光學(xué)強(qiáng)度產(chǎn)生不同有效的積分時(shí)間。這是用于具有依靠P+/N-阱結(jié)二極管D1的N型光電二極管的實(shí)施例(典型地具有從0.3到0.7V范圍的閾電位VonDiode)。
在第一階段，通過(guò)閉合復(fù)位晶體管T5，轉(zhuǎn)換電容器C2被充電到復(fù)位電壓Vreset。在復(fù)位階段內(nèi)晶體管T2的柵被保持在恒定電壓VGT2。此電壓被選擇為使得MOS晶體管T2的柵電壓減去閾電壓低于復(fù)位電壓，該復(fù)位電壓通過(guò)斷開(kāi)復(fù)位晶體管T5而在轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)N3處實(shí)現(xiàn)。然而，柵電壓被選擇為比晶體管T2的體電位高出至少一閾電壓。因此在復(fù)位期間光電二極管1不被帶到復(fù)位電位，但被穩(wěn)定在電位VGT2-VTH。
在此階段，圖5中的復(fù)位電壓Vreset1被設(shè)置為在積分期間所用的最高值。此電壓減去二極管(D1)的閾電壓至少高于讀出緩沖器的飽和值，但低于柵電壓減去第二晶體管(圖5中T2)的閾電壓(典型地＞100mV)。由光電二極管1收集的電流，其線(xiàn)性響應(yīng)于入射光強(qiáng)度，在第一階段被MOS晶體管T2的溝道補(bǔ)償并且只放電電容器C2。一旦在N3處的電位已放電到低于T2的柵電壓減去閾電壓的值，電容器C1和C2就被均勻放電。對(duì)于相對(duì)高的光學(xué)強(qiáng)度，積分電容器(C1+C2)在積分時(shí)間之內(nèi)被放電到值(Vreset1-VonDiode)。從該時(shí)間向前，二極管D1從所述積分電容器放電由光電二極管1產(chǎn)生的一些電流。在積分電容器處的電壓現(xiàn)在更慢地減少直到它最后穩(wěn)定在一個(gè)值，對(duì)于該值，通過(guò)二極管D1所有由光電二極管1產(chǎn)生的電流被補(bǔ)償。在積分時(shí)間的另一個(gè)階段，例如在積分時(shí)間的90％之后，復(fù)位電壓Vreset1被設(shè)置為更低的值。這停止了由光電二極管1產(chǎn)生的電流的補(bǔ)償。積分電容器再一次被放電全部光電流。由于直到積分時(shí)間的結(jié)束的更短的時(shí)間跨度保留，這導(dǎo)致對(duì)于光學(xué)強(qiáng)度的降低的靈敏度，其在第一時(shí)間間隔已經(jīng)將積分電容器放電到Vreset1-VonDiode。
通過(guò)附加的進(jìn)一步階段，特性曲線(xiàn)在此可再次被適應(yīng)于需要。
參考列表1 光電二極管2 地電位C1光電二極管電容器C2轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)電容器T1復(fù)位晶體管T2快門(mén)晶體管T3讀出晶體管T4行選擇晶體管T5傳感節(jié)點(diǎn)N2的復(fù)位晶體管N1二極管節(jié)點(diǎn)N3轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)/存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)Vreset復(fù)位電壓Vreset1二極管D1上的復(fù)位電壓Vreset2晶體管T5上的復(fù)位電壓VonDiode二極管閾電壓D1 復(fù)位二極管。
權(quán)利要求
1.一種光電傳感器，其包括至少一個(gè)光電二極管(1)，該光電二極管(1)經(jīng)由第一晶體管(T1)或者第一二極管(D1)被連接到第一電位(Vreset，Vreset1)，其特征在于為了提供大的動(dòng)態(tài)范圍，光電二極管(1)可經(jīng)由第二晶體管(T2)進(jìn)一步被連接到讀出放大器(T3)的輸入，第三晶體管(T5)還設(shè)置在第二晶體管(T2)和讀出放大器(T3)的輸入之間，經(jīng)由該第三晶體管(T5)讀出放大器(T3)的輸入可被連接第二電位(Vreset，Vreset2)，并且其中有裝置(C2)，其允許所積分的信號(hào)值的暫時(shí)存儲(chǔ)直到讀出時(shí)間。
2.如權(quán)利要求1的光電傳感器，其特征在于具有第一晶體管(T1)，并且第一和第二電位(Vreset)處于基本相同的電壓電平。
3.如前述權(quán)利要求之一的光電傳感器，其特征在于附加的到地電位(2)的轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)電容器(C2)被設(shè)置在第二晶體管(T2)和讀出放大器(T3)的輸入之間。
4.如前述權(quán)利要求之一的光電傳感器，其特征在于讀出放大器(T3)的輸出經(jīng)由行選擇晶體管(T4)被連接到列總線(xiàn)。
5.如前述權(quán)利要求之一的光電傳感器，其特征在于所用的晶體管(T1，T2，T3，T4，T5)的至少一個(gè)，并且優(yōu)選地全部被設(shè)計(jì)為MOS晶體管。
6.如前述權(quán)利要求之一的光電傳感器，其特征在于第二晶體管(T2)的柵電壓被控制以使得在積分時(shí)間的第一階段由光電二極管(1)產(chǎn)生的電流只對(duì)在讀出放大器(T3)的輸入處的電容器(C2)放電，并且第一晶體管(T1)的柵電壓，或者相應(yīng)地當(dāng)有第一二極管(D1)時(shí)的第一電位(Vreset1)，在此情形中被控制以使得由光電二極管(1)產(chǎn)生的電流的一些或者全部通過(guò)第一晶體管(T1)的通道或者相應(yīng)地通過(guò)第一二極管(D1)在積分時(shí)間的最后階段被補(bǔ)償。
7.如權(quán)利要求6的光電傳感器，其特征在于在第一晶體管(T1)的情形中，第一晶體管(T1)的柵電壓低于第二晶體管(T2)的柵電壓并且第一晶體管(T1)的柵電壓比讀出緩沖器的飽和信號(hào)高至少閾電壓，或者相應(yīng)地在第一二極管(D1)的情形中第一二極管(D1)的二極管陽(yáng)極電壓被第一電位(Vreset1)調(diào)節(jié)使得此陽(yáng)極電壓減去二極管閾電壓(Vreset1-VonDiode)低于柵電壓減去第二晶體管(T2)的閾電壓并且第一二極管(D1)的二極管陽(yáng)極電壓(Vreset1)比讀出緩沖器的飽和信號(hào)高至少二極管閾電壓(VonDiode)。
8.如權(quán)利要求6的光電傳感器，其特征在于所述兩個(gè)柵電壓之間的差大于閾電壓的容限加上電壓值容限，此差具體優(yōu)選地被選擇為＞100mV。
9.如前述權(quán)利要求之一的光電傳感器，其特征在于第一晶體管(T1)和第二晶體管(T2)的柵電壓在積分時(shí)間內(nèi)可被改變。
10.一種用于操作根據(jù)權(quán)利要求1到9的至少一項(xiàng)的光電傳感器的方法，其特征在于第一晶體管(T1)的柵電壓，或者相應(yīng)地在第一二極管(D1)的情形中的第一電位(Vreset1)，以及第二晶體管(T2)的柵電壓，被分別調(diào)節(jié)或控制使得由光電二極管(1)積累的電荷載流子在積分時(shí)間的第一階段只對(duì)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)電容器(C2)放電，在光電二極管(1)的輸出和讀出放大器(T3)的輸入相等的電位已經(jīng)被達(dá)到之后第二階段由光電二極管(1)積累的電荷載流子對(duì)光電二極管(C1)和所述轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)電容器(C2)放電，并且在光電二極管(1)的輸出已經(jīng)落到第一晶體管(T1)的閾電壓或者相應(yīng)地第一二極管(D1)的二極管閾電壓以下之后，由光電二極管(1)積累的電荷載流子在第三階段經(jīng)由第一晶體管(T1)或者相應(yīng)地經(jīng)由第一二極管(D1)至少部分成為可用的，并且所述第二晶體管(T2)在積分時(shí)間已經(jīng)過(guò)去之后被斷開(kāi)使得信號(hào)被保持在轉(zhuǎn)換電容器(C2)直到讀出時(shí)間并且第一晶體管(T1)或者相應(yīng)地第一二極管(D1)在此保持時(shí)間內(nèi)被調(diào)節(jié)使得光電二極管電容器(C1)不被完全放電。
11.如權(quán)利要求10的方法，其特征在于第二晶體管(T2)的柵電壓在復(fù)位階段內(nèi)以及積分階段內(nèi)被調(diào)節(jié)使得柵電壓減去閾電壓低于在讀出放大器(T3)的輸入處設(shè)置的復(fù)位電壓，并且柵電壓高出讀出緩沖器的飽和電壓至少閾電壓。
12.如權(quán)利要求10和權(quán)利要求11之一的方法，其特征在于第二晶體管(T2)的柵電壓在積分階段內(nèi)被改變，盡管它一直停留在大于第一晶體管(T1)的柵電壓，并且第一晶體管(T1)的柵電壓在積分階段內(nèi)優(yōu)選地被連續(xù)降低。
13.如權(quán)利要求10到權(quán)利要求12之一的方法，其特征在于第一晶體管(T1)的柵電壓在積分時(shí)間內(nèi)被保持恒定或者被連續(xù)降低。
14.如權(quán)利要求10，11和13之一的方法，其特征在于第二晶體管(T2)的柵電壓被切換至少一次使得它等于此晶體管(T2)的體電位并且被再一次切換回它的初始值。
15.一種根據(jù)權(quán)利要求1到9之一的光電二極管傳感器的一維或者二維陣列。
16.一種根據(jù)權(quán)利要求10到14之一的方法，其用于操作如權(quán)利要求15所述的陣列。
全文摘要
所公開(kāi)的是一種光電傳感器，其包括至少一個(gè)光電二極管(1)，該光電二極管(1)經(jīng)由第一晶體管(T1)或者第一二極管(D1)被連接到第一電位(V
文檔編號(hào)H04N3/15GK1708976SQ200380102495
公開(kāi)日2005年12月14日 申請(qǐng)日期2003年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月29日
發(fā)明者馬丁·瓦尼, 彼得·馬里奧·施維德 申請(qǐng)人:光子焦點(diǎn)股份公司