硅工藝量子點像素單元電路、傳感器及信號采集方法與流程

本發明涉及集成電路技術領域，具體涉及一種硅工藝量子點像素單元電路、傳感器及信號采集方法。

背景技術：

圖像傳感器是指將光信號轉換為電信號的裝置，其可以基于電荷耦合器件(CCD)技術、互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感技術或基于量子點的光電探測技術進行制備得到。

量子點是納米尺寸的半導體晶粒，它具有禁帶寬度隨尺寸可調的的特性，其光吸收特性也是隨之可調。通過選擇合適的量子點材料和尺寸，可以采用溶液法制備對可見光或紅外高靈敏度的量子點膜，工藝簡單。量子點制備的光電探測器具有靈敏度高，波段易調制、工藝簡單成本低等優勢，市場前景廣闊。同硅基的CMOS圖像傳感器比較，對于短波紅外的檢測，量子點具有成本低和性能優良的特點。

為了在硅片上實現光電集成，在過去的幾十年，人們開展了大量硅基發光材料和器件的研究工作，如在硅襯底上集成III-V族發光材料，或者制作多孔硅等。然而，硅襯底上集成發光材料的重要因素是晶格匹配問題以及發光調制問題，而利用量子點則不需要考慮晶格匹配并且發光波長可通過粒徑調控，如果能夠在硅基上制作出量子點光敏電阻，并且結合業已成熟的CMOS圖像傳感技術，將能夠制造價格更為低廉，感光波段更為寬廣，靈敏度更高的硅基圖像傳感器。

技術實現要素：

為了克服以上問題，本發明旨在提供一種硅工藝量子點像素單元電路、傳感器及信號采集方法，從而能夠將可見光和紅外光轉換為電學信號。

為了達到上述目的，本發明提供了一種硅工藝量子點像素單元電路至少包括：信號讀取電路單元、量子點光敏電阻以及與量子點光敏電阻并聯的MOS電容(M5)；信號讀取電路單元包括：復位開關管(M1)、傳輸管(M2)、源跟隨器(M3)和行選開關管(M4)；其中，

量子點光敏電阻的一端接參考電平(Vqd)，另一端與復位開關管(M1)的源極相連接；

MOS電容(M5)的柵極與復位開關管(M1)的源極相連，MOS電容(M5)的漏極和源極均與參考電平(Vqd)相連，MOS電容(M5)的體電容接地；

復位開關管(M1)的漏極接復位電壓(Vreset)，復位開關管(M1)的柵極接像素輸入端(RX)，復位開關管(M1)的源極與傳輸管(M2)的源極相連接于一節點(FD)；傳輸管(M2)的漏極與量子點光敏電阻的所述另一端相連接，傳輸管(M2)的柵極與像素單元輸入端(TG)相連接；源跟隨器(M3)的漏極接電源(VDD)，源跟隨器(M3)的柵極與節點(FD)相連，源跟隨器(M3)的源極與行選開關管(M4)的漏極相連；行選開關管(M4)的柵極接行選輸入端(RS)，行選開關管(M4)的源極作為整個像素單元的輸出端；

其中，曝光時，信號讀取電路單元在曝光時間內將量子點光敏電阻流出的電流進行積分得到光生電壓，當入射到量子點光敏電阻上的光線的強弱發生改變時導致量子點光敏電阻的阻值發生改變，從而改變流經量子點光敏電阻的電流，并且最終導致光生電壓的數值發生改變。

優選地，所述量子點光敏電阻包括可見光敏感量子點和紅外光敏感量子點。

優選地，行選開關管(M4)的源極作為整個像素單元的輸出端時輸出直流電流。

為了達到上述目的，本發明還提供了一種圖像傳感器，采用上述的硅工藝量子點像素單元電路。

為了達到上述目的，本發明還提供了一種采用上述的硅工藝量子點像素單元電路所進行的信號采集方法，包括以下步驟：

步驟01：將像素輸入端(RX)和像素單元輸入端(TG)置為高電平，復位開關管(M1)和傳輸管(M2)均開啟；將行選輸入端(RS)置為低電平，行選開關管(M4)關斷，此時，MOS電容(M5)和量子點光敏電阻復位；

步驟02：將像素單元輸入端(TG)置為低電平，傳輸管(M2)關斷；將像素輸入端(RX)置為高電平，復位開關管(M1)開啟；將行選輸入端(RS)置為低電平，行選開關管(M4)關斷，此時，像素單元開始曝光并且對量子點光敏電阻流出的電流開始積分；

步驟03：將行選輸入端(RS)和像素單元輸入端(TG)置為低電平，傳輸管(M2)和行選開關管(M4)關斷；將像素輸入端(RX)置為低電平，復位開關管(M1)關斷，此時節點(FD)處于復位電平(Vreset)狀態；

步驟04：將像素單元輸入端(TG)置為低電平，傳輸管(M2)關斷；將像素輸入端(RX)置為低電平，復位開關管(M1)關斷；將行選輸入端(RS)置為高電平，行選開關管(M4)開啟，此時，節點(FD)通過源跟隨器(M3)向外輸出電壓信號，對像素單元進行第一次采樣，從而得到復位電平采樣結果；

步驟05：將像素單元輸入端(TG)置為平，傳輸管(M2)開啟；將像素輸入端(RX)置為低電平，復位開關管(M1)關斷；將行選輸入端(RS)置為低電平，行選開關管(M4)關斷，此時，積分時間結束，在該積分時間內，量子點光敏電阻的光生電流通過積分獲得了光生電壓，并且通過所開啟的傳輸管(M2)傳遞給了節點(FD)，從而使得節點(FD)處于信號電平狀態；

步驟06：將像素單元輸入端(TG)置為低電平，傳輸管(M2)關斷；將像素輸入端(RX)置為低電平，復位開關管(M1)關斷；將行選輸入端(RS)置為高電平，行選開關管(M4)開啟，此時，節點(FD)通過源跟隨器(M3)向外輸出電壓信號，對像素單元進行第二次采樣，從而得到信號電平采樣結果；

步驟07：將像素單元輸入端(TG)置為低電平，傳輸管(M2)關斷；將像素輸入端(RX)置為低電平，復位開關管(M1)關斷；將行選輸入端(RS)置為低電平，行選開關管(M4)關斷，結束采樣，將像素單元置于高阻狀態。

優選地，所述量子點光敏電阻包括可見光敏感量子點和紅外光敏感量子點。

優選地，行選開關管(M4)的源極作為整個像素單元的輸出端時輸出直流電流。

本發明的硅工藝量子點像素單元電路，采用硅工藝量子點光敏電阻作為感光元件，利用量子點光敏電阻來實現將光信號轉換為電信號，同時相比于傳統的CMOS 4T像素單元電路，本發明利用了量子點光敏電阻的感光范圍更寬，對感光范圍的調控更加方便靈活。

附圖說明

圖1為本發明的一個較佳實施例的像素單元電路示意圖

圖2為本發明的一個較佳實施例的對像素單元電路進行信號采集時序示意圖

具體實施方式

為使本發明的內容更加清楚易懂，以下結合說明書附圖，對本發明的內容作進一步說明。當然本發明并不局限于該具體實施例，本領域內的技術人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發明的保護范圍內。

以下結合附圖1-2和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式、使用非精準的比例，且僅用以方便、清晰地達到輔助說明本實施例的目的。

請參閱圖1，本實施例的硅工藝量子點像素單元電路，至少包括：信號讀取電路單元、量子點光敏電阻以及與量子點光敏電阻并聯的MOS電容M5；這里，量子點光敏電阻可以包括可見光敏感量子點和紅外光敏感量子點。信號讀取電路單元為4T電路結構，其可以包括：復位開關管M1、傳輸管M2、源跟隨器M3和行選開關管M4。

量子點光敏電阻的一端接參考電平Vqd，另一端與復位開關管M1的源極相連接；

MOS電容M5的柵極與復位開關管M1的源極相連，MOS電容M5的漏極和源極均與參考電平Vqd相連，MOS電容M5的體電容接地；

復位開關管M1的漏極接復位電壓Vreset，復位開關管M1的柵極接像素輸入端RX，復位開關管M1的源極與傳輸管M2的源極相連接于一節點FD；傳輸管M2的漏極與量子點光敏電阻的所述另一端相連接，傳輸管M2的柵極與像素單元輸入端TG相連接；源跟隨器M3的漏極接電源VDD，源跟隨器M3的柵極與節點FD相連，源跟隨器M3的源極與行選開關管M4的漏極相連；行選開關管M4的柵極接行選輸入端RS，行選開關管M4的源極作為整個像素單元的輸出端；這里，行選開關管M4的源極作為整個像素單元的輸出端時輸出直流電流。

本實施例中，曝光時，信號讀取電路單元在曝光時間內將量子點光敏電阻流出的電流進行積分得到光生電壓，當入射到量子點光敏電阻上的光線的強弱發生改變時導致量子點光敏電阻的阻值發生改變，從而改變流經量子點光敏電阻的電流，并且最終導致光生電壓的數值發生改變。

此外，本實施例中還提供了一種圖像傳感器，該圖像傳感器采用本實施例上述的硅工藝量子點像素單元電路。

本實施例中還提供了一種采用上述的硅工藝量子點像素單元電路所進行的信號采集方法，如圖2所示，為本實施例的采用上述的像素單元電路進行信號采集時序示意圖，圖2中，Exp time表示曝光時間，本實施例的信號采集方法包括以下步驟：

步驟01：將像素輸入端RX和像素單元輸入端TG置為高電平，復位開關管M1和傳輸管M2均開啟；將行選輸入端RS置為低電平，行選開關管M4關斷，此時，MOS電容M5和量子點光敏電阻復位；

步驟02：將像素單元輸入端TG置為低電平，傳輸管M2關斷；將像素輸入端RX置為高電平，復位開關管M1開啟；將行選輸入端RS置為低電平，行選開關管M4關斷，此時，像素單元開始曝光并且對量子點光敏電阻流出的電流開始積分；

步驟03：將行選輸入端RS和像素單元輸入端TG置為低電平，傳輸管M2和行選開關管M4關斷；將像素輸入端RX置為低電平，復位開關管M1關斷，此時節點FD處于復位電平Vreset狀態；

步驟04：將像素單元輸入端TG置為低電平，傳輸管M2關斷；將像素輸入端RX置為低電平，復位開關管M1關斷；將行選輸入端RS置為高電平，行選開關管M4開啟，此時，節點FD通過源跟隨器M3向外輸出電壓信號，對像素單元進行第一次采樣C1，從而得到復位電平采樣結果；

步驟05：將像素單元輸入端TG置為平，傳輸管M2開啟；將像素輸入端RX置為低電平，復位開關管M1關斷；將行選輸入端RS置為低電平，行選開關管M4關斷，此時，積分時間結束，在該積分時間內，量子點光敏電阻的光生電流通過積分獲得了光生電壓，并且通過所開啟的傳輸管M2傳遞給了節點FD，從而使得節點FD處于信號電平狀態；

步驟06：將像素單元輸入端TG置為低電平，傳輸管M2關斷；將像素輸入端RX置為低電平，復位開關管M1關斷；將行選輸入端RS置為高電平，行選開關管M4開啟，此時，節點FD通過源跟隨器M3向外輸出電壓信號，對像素單元進行第二次采樣C2，從而得到信號電平采樣結果；

步驟07：將像素單元輸入端TG置為低電平，傳輸管M2關斷；將像素輸入端RX置為低電平，復位開關管M1關斷；將行選輸入端RS置為低電平，行選開關管M4關斷，結束采樣，將像素單元置于高阻狀態。

雖然本發明已以較佳實施例揭示如上，然實施例僅為了便于說明而舉例而已，并非用以限定本發明，本領域的技術人員在不脫離本發明精神和范圍的前提下可作若干的更動與潤飾，本發明所主張的保護范圍應以權利要求書為準。