一种基于高增益光敏器件的电路结构

1.本发明涉及一种基于高增益光敏器件的电路结构。


背景技术：

2.光敏器件构成像素的重要单元，为了实现高灵敏度、宽动态范围以用来将更多的入射光子转化为电子，采用大尺寸的感光面积是常用的设计，然而大尺寸带来了高的成本和较大的暗电流和噪声，限制了其应用。王凯等人发明了pd-mos(实用新型专利zl202023045376.4)，然而，高增益模式下的噪声和暗电流仍然是不容忽视的问题。另一方面，为了拍摄高速移动的物体传统像素单元采用全局曝光模式工作，由于无法采用相关双采样，存在固定图案噪声高的问题。
3.对于以pd-mos为代表的高增益光敏器件的降噪方案，可以采用传统的明暗器件差分设计(实用新型专利，zl202121351649.x)。此外，为了提高cmos图像传感器的空间分辨率，一个常用的解决办法便是直接减小单个像素的尺寸。然而，小尺寸的像素输出性能更容易受到器件失调以及由制备工艺导致的像素参数扰动的影响，从而导致了像素输出的不均匀性，而这种特性与时间无关。像素的不均匀性具体表现为像素阵列中的每个像素对相同的入射光强度输出响应略有不同，最终形成的图像可能会有条纹。这种特性称为固定图案噪声(fixed pattern noise，fpn)，为此，人们提出了相关双采样(correlated double sampling，cds)，即在不同时刻，对像素信号进行两次采样并差分的方法降低fpn，优化图像质量。
4.对于经典的cds设计，即在不同时刻对像素的电压进行两次采样，然后对采样电压作差，再将作差的电压输入到差分电路，可以将减少fpn的影响。除fpn外，另一个影响图像质量的主要因素是信噪比(signal to noise ratio，snr)，为了进一步提高信噪比光电倍增管(photomultiplier tubes，pmts)和雪崩光电二极管(avalanche photodiodes，apd)/硅光电倍增管(silicon photomultipliers，sipm)利用光电倍增机制、雪崩效应增强信号，而光敏双极晶体管和集成光电传感器芯片利用bjt或mosfet的放大效应，对噪声的有效抑制一直是这些器件设计的一个主要挑战。
5.现有技术的缺点：
6.1.单个pd-mos器件在高增益模式下的噪声和暗电流比较高。
7.2.传统的光电传感器应用于像素电路当中存在无法兼顾随机读取和利用相关双采样进一步降低fpn，以及无法兼顾全局曝光和降低读出噪声的问题，因此，不利于应用于拍摄高速运动物体的场景。
8.3.传统的明暗像素差分方案电路采用多个运算放大器实施较为复杂，不利于大规模集成。
9.4.为了实现高snr，传统的光电传感器采用提高信号强度的方案，而且温漂较为严重，仍然存在噪声较大的问题。


技术实现要素：

10.本发明目的在于提供一种基于高增益光敏器件的电路结构，以解决上述现有技术存在的问题。
11.本发明中所述一种基于高增益光敏器件的电路结构，包括：第一mos管、第二mos管和跨阻放大器；
12.所述第一mos管为pd-mos，用于接收光信号；所述第一mos管的漏极外接v
dd
，第一mos管的栅极外接第一栅极电压，第一mos管的源极连接第二mos管的漏极以及连接所述跨阻放大器的反相输入端；第二mos管的源极外接v
ss
，第二mos管的栅极外接第二栅极电压；所述跨阻放大器的同相输入端接地，跨阻放大器的通过反馈网络与所述反相输入端短接；跨阻放大器的输出端用于对外输出所述光信号对应的电压信号；
13.调控所述第一栅极电压及第二栅极电压，当所述光信号为0时，令第一mos管的流出电流等于第二mos管的流入电流。
14.所述第二mos管为pd-mos；第二mos管被遮光膜完全覆盖。
15.所述第二mos管为非光敏的mos管。
16.所述第二mos管为pd-mos。
17.所述反馈网络由反馈电容和反馈电阻并联组成。
18.本发明中所述一种基于高增益光敏器件的电路结构，其优点在于，相较于传统的光电传感器具有更低的噪声电流和暗电流、实现了器件在小尺寸具备宽动态范围和高灵敏度。所述pid兼具小尺寸、高灵敏度、高增益和宽动态范围；而且具备低暗电流、低闪烁噪声和低温漂的功能。基于所述pid制备的像素阵列可以兼顾随机读取并采用空间相关双采样实现降低fpn的途径，本发明实施例的可随机读取有源像素电路的动态范围也可高达160db。从器件级层面实现像素的高性能，并且可以通过偏压设置独立控制工作区间。再基于基本的pid设计方案衍生出pid-m和pid-l简化了工艺制程，实现了高增益的同时还可以消除环境光的影响。
附图说明
19.图1是本发明中实施例一的结构示意图。
20.图2是本发明中实施例一所述pid的传输特性曲线图。
21.图3是本发明中实施例一所述pid的输出电流与入射辐照度关系图。
22.图4是本发明中实施例一所述pid和单个pd-mos在亚阈值区暗态下的输出电流特性对比图。
23.图5是本发明中实施例一所述pid和单个pd-mos在亚阈值区的噪声特性对比图。
24.图6是本发明中实施例二的结构示意图。
25.图7是本发明中实施例三的结构示意图。
26.附图标记：
27.m1-第一mos管、m2-第二mos管；
28.i
ds
1-第一mos管的流出电流、i
ds
2-第二mos管的流入电流、i
out-光信号的对应电流；
[0029]vgs
1-第一栅极电压、v
gs
2-第二栅极电压；
[0030]
tia-跨阻放大器、r
f-反馈电阻、c
f-反馈电容。
具体实施方式
[0031]
实施例一：
[0032]
如图1所示，本发明中所述一种基于高增益光敏器件的电路结构包括：第一mos管m1、第二mos管m2和跨阻放大器tia。所述第一mos管m1为pd-mos，用于接收光信号。所述第一mos管m1的漏极外接v
dd
，第一mos管m1的栅极外接第一栅极电压v
gs
1，第一mos管m1的源极连接第二mos管m2的漏极以及连接所述跨阻放大器tia的反相输入端。第二mos管m2的源极外接v
ss
，第二mos管m2的栅极外接第二栅极电压v
gs
2。所述跨阻放大器tia的同相输入端接地，跨阻放大器tia的通过反馈网络与所述反相输入端短接。跨阻放大器tia的输出端用于对外输出所述光信号对应的电压信号。所述第二mos管m2为pd-mos；第二mos管m2被遮光膜完全覆盖。所述反馈网络用于平衡响应时间，由反馈电容cf和反馈电阻rf并联组成。
[0033]
所述第一mos管m1和第二mos管m2共用一个衬底，之间通过深n阱进行隔离，集成为pid(高增益光电集成器件，photoelectric integrated device)。初始化时，调控所述第一栅极电压v
gs
1及第二栅极电压v
gs
2，当所述光信号为0时，令第一mos管m1的流出电流等于第二mos管m2的流入电流。通过第一栅极电压v
gs
1和第二栅极电压v
gs
2的调控使得第一mos管m1和第二mos管m2实现自身噪声的相互抵消以及暗电流的相互抵消。只要第一栅极电压v
gs
1及第二栅极电压v
gs
2控制足够精准，暗环境下流向跨阻放大器tia的电流i
out
将趋向于零。
[0034]
工作时，当光信号对第一mos管m1产生作用时，光信号的信息会直接反馈到跨阻放大器tia的输出端，几乎没有暗电流的干扰。多个第一mos管m1并联还能在不用两次采集做差的情况下实现空间相关双采样。进一步地，通过第一栅极电压v
gs
1及第二栅极电压v
gs
2的调控，还可以令pid处于高增益模式(亚阈值区)或关太区的两种工作区间。
[0035]
如图2所示在100pw/cm2到10mw/cm2的辐照度下，在关态区时具有140db的动态范围，在亚阈值区域时具有160db的动态范围，高于传统的cmos光电传感器。如图3所示，在关态区和亚阈值区其输出电流均与入射光强呈线性关系。此外其光增益可以高达107，如图4和图5所示，相对于单个pd-mos，本发明实例在暗电流和噪声功率谱密度方面显著降低。综合可见，pid在亚阈值区域的噪声水平远低于单个pd-mos的噪声水平，因此，pid能够在放大pd信号的同时而不增加其噪声。
[0036]
实施例二：
[0037]
如图6所示，与实施例一的主要区别在于，pid在制作的时候不对第二mos管m2生成光敏pd。即第二mos管m2只制作成一般常规的mos管，衍变成pid-m的器件结构。该设计的好处是省去了一个pd的面积，提高分辨率和填充因子。也减少了第二mos管m2的遮光需求，简化了生产工艺。
[0038]
实施例三：
[0039]
如图7所示，与实施例一的主要区别在于，第二mos管m2不进行遮光处理，衍变成pid-l的器件结构。该实施方式可以应用于对环境光依赖比较高的场景，当待测光源照射到其中一个的时候，其输出电流i
out
仅为待测光源产生的信号，因此，该设计可以实现高增益的同时还可以消除对环境光的影响。
[0040]
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各
种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于高增益光敏器件的电路结构，其特征在于，包括：第一mos管(m1)、第二mos管(m2)和跨阻放大器(tia)；所述第一mos管(m1)为pd-mos，用于接收光信号；所述第一mos管(m1)的漏极外接v
dd
，第一mos管(m1)的栅极外接第一栅极电压(v
gs
1)，第一mos管(m1)的源极连接第二mos管(m2)的漏极以及连接所述跨阻放大器(tia)的反相输入端；第二mos管(m2)的源极外接v
ss
，第二mos管(m2)的栅极外接第二栅极电压(v
gs
2)；所述跨阻放大器(tia)的同相输入端接地，跨阻放大器(tia)的通过反馈网络与所述反相输入端短接；跨阻放大器(tia)的输出端用于对外输出所述光信号对应的电压信号；调控所述第一栅极电压(v
gs
1)及第二栅极电压(v
gs
2)，当所述光信号为0时，令第一mos管(m1)的流出电流等于第二mos管(m2)的流入电流。2.根据权利要求1所述一种基于高增益光敏器件的电路结构，其特征在于，所述第二mos管(m2)为pd-mos；第二mos管(m2)被遮光膜完全覆盖。3.根据权利要求1所述一种基于高增益光敏器件的电路结构，其特征在于，所述第二mos管(m2)为非光敏的mos管。4.根据权利要求1所述一种基于高增益光敏器件的电路结构，其特征在于，所述第二mos管(m2)为pd-mos。5.根据权利要求1所述一种基于高增益光敏器件的电路结构，其特征在于，所述反馈网络由反馈电容(c
f
)和反馈电阻(r
f
)并联组成。

技术总结
本发明公开了一种基于高增益光敏器件的电路结构，针对现有技术中暗电流较高的问题提出本方案。主要通过在光信号零输入的时候，分别调控两个串联MOS管的栅极电压使其二者的电流差为零，而且至少其中一个MOS管是PD-MOS。优点在于，相较于传统的光电传感器具有更低的噪声电流和暗电流、实现了器件在小尺寸具备宽动态范围和高灵敏度。所述PID兼具小尺寸、高灵敏度、高增益和宽动态范围；而且具备低暗电流、低噪声和低温漂的功能。基于所述PID制备的像素阵列可以兼顾随机读取并采用空间相关双采样实现降低FPN的途径，本发明实施例的可随机读取有源像素电路的动态范围也可高达160dB。从器件级层面实现像素的高性能，并且可以通过偏压设置独立控制工作区间。压设置独立控制工作区间。压设置独立控制工作区间。


技术研发人员：王凯 高超 齐一泓 马涛
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：2023.03.15
技术公布日：2023/7/21