采样单元及其操作方法、电子装置和像素单元

技术领域

本公开的实施例涉及一种采样单元及其操作方法，以及包括该采样单元的电子装置和像素单元。

背景技术

在光探测领域中，现有的光探测器包括基于光电二极管的探测器、基于雪崩光电二极管(APD)的探测器以及基于光电三极管的探测器。基于光电二极管的探测器，例如，互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器由于光电二极管探测器对光探测的量子效率较低而在光探测领域面临巨大挑战。APD由于雪崩击穿而产生的内部增益，因此可以获得高灵敏度。但是APD的工作电压较高而且需要淬灭电路。由于受电路复杂性、噪声和功耗等因素的制约，实现APD成像阵列的难度较大。与APD相比，光电三极管的工作电压较低并且没有引入雪崩噪声。但是光电三极管的电流增益受工作点的影响，而且在光强较小时获得的电流增益十分有限。

自然界中所能见到的最强光照与最弱光照之间的差异十分巨大，从最强到最弱的场景照度值的差别达到了8个数量级以上，换算为动态范围超过了160dB。普通图像传感器的动态范围通常只有70-80dB，这与自然场景相比存在着巨大的差异。人眼的瞬时动态范围超过了100dB，经过适应过程的动态范围可接近或超过自然场景的动态范围。因此，通常情况下数码设备拍摄的照片与人实际看到的场景有着明显的不同，且人眼所具有的自适应调整等特性远好于电子图像传感器。并且，宽动态范围成像可以提供比传统成像结果更多的细节和明暗对比，在汽车安全、工业制造、航空航天、天文研究等领域都有着其广泛的需求。

发明内容

本公开至少一实施例提供一种采样单元，包括开关晶体管、第一源极跟随晶体管、第二源极跟随晶体管和第一读出选择晶体管，其中，第一源极跟随晶体管的第一源漏极为与开关晶体管的第一源漏极电连接，第一源极跟随晶体管的第二源漏极与第二源极跟随晶体管的栅极电连接，第一源极跟随晶体管的栅极配置为接收第一电压控制信号，第二源极跟随晶体管的第一源漏极与第一读出选择晶体管的第一源漏极电连接，并且开关晶体管的栅极被配置为接收感光信号。该采样单元可以实现对强度极小的感光信号进行采样，并且可以进一步得出其功率密度。

例如，在本公开至少一实施例提供的采样单元中，第一读出选择晶体管的第二源漏极与第一列输出端电连接，第一读出选择晶体管的栅极被配置为接收第一行选择信号。

例如，本公开至少一实施例提供的采样单元还包括模式选择晶体管，其中，模式选择晶体管的第一源漏极被配置为接收感光信号，模式选择晶体管的第二源漏极与第一源极跟随晶体管的第一源漏极电连接，模式选择晶体管的栅极配置为接收模式选择信号。

例如，在本公开至少一实施例提供的采样单元中，第一读出选择晶体管的第二源漏极与第一列输出端电连接，第一读出选择晶体管的栅极被配置为接收第一行选择信号。

例如，本公开至少一实施例提供的采样单元还包括第二读出选择晶体管，其中，第二读出选择晶体管的第一源漏极与第一源极跟随晶体管的第二源漏极电连接。

例如，在本公开至少一实施例提供的采样单元中，第二读出选择晶体管的第二源漏极与第二列输出端电连接，第二读出选择晶体管的栅极与第二行选择信号电连接。

例如，在本公开至少一实施例提供的采样单元中，开关晶体管、第一源极跟随晶体管、第二读出选择晶体管、第二源极跟随晶体管和第一读出选择晶体管为N型晶体管，模式选择晶体管为P型晶体管。

本公开至少一个实施例提供上述采样单元中任一的操作方法。该方法包括：通过开关晶体管的栅极接收感光信号，以及通过采样单元对感光信号采样并输出采样信号。

例如，在本公开至少一实施例提供的操作方法中，通过采样单元对感光信号采样包括：对第一源极跟随晶体管的栅极施加第一电压控制信号；以及开启第一读出选择晶体管以通过与第一列输出端输出采样信号。

例如，在本公开至少一实施例提供的操作方法中，第一电压控制信号为周期性电信号，并且每个周期包括单向变化部分。

例如，在本公开至少一实施例提供的操作方法中，每个周期包括三角波的单向变化部分或者半个正弦波的单向变化部分。

例如，在本公开至少一实施例提供的操作方法中，开启第一读出选择晶体管以通过第一列输出端输出采样信号包括：周期性地向第一读出选择晶体管的栅极施加第一行选择信号。

例如，本公开至少一实施例提供的操作方法还包括：根据输出的采样信号，获取开关晶体管的关断时间；基于开关晶体管的关断时间，计算入射光功率密度。

例如，本公开至少一实施例提供的操作方法还包括：对模式选择晶体管施加模式选择信号，以选择采样单元的操作模式；通过述第二源极跟随晶体管的栅极接收感光信号；以及通过采样单元对感光信号采样并输出采样信号。

例如，在本公开至少一实施例提供的操作方法中，通过采样单元对感光信号采样包括：向第一读出选择晶体管的栅极施加第一行选择信号；以及开启第一读出选择晶体管以通过第一读出选择晶体管采样信号。

例如，本公开至少一实施例提供的操作方法还包括：对模式选择晶体管施加模式选择信号，以选择采样单元的操作模式；通过开关晶体管的栅极接收感光信号；以及通过采样单元对感光信号采样并输出采样信号。

例如，在本公开至少一实施例提供的操作方法中，通过采样单元对感光信号采样包括：对第二读出选择晶体管的栅极施加第二行选择信号；以及开启第二读出选择晶体管以通过与第二列输出端输出采样信号。

本公开至少一实施例还提供包括上述任一采样单元的电子装置。

本公开至少一实施例还提供包括上述任一采样单元的像素单元。

例如，本公开至少一实施例提供的像素单元还包括光探测器单元，其中，采样单元对从光探测器单元接收的感光信号进行采样。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制。

图1A示出了根据本公开至少一实施例的光探测器单元的电路结构示意图；

图1B示出了根据本公开至少一实施例的感光器件的结构示意图；

图2A和图2B示出了根据本公开至少一实施例的光探测器单元的操作原理示意图；

图2C示出了根据本公开至少一实施例的光探测器单元中的感光器件的开启的时刻与入射光功率密度的关系图；

图3示出了根据本公开至少一实施例的像素单元的示意图，该像素单元包括采样单元与光探测器单元；

图4示出了根据本公开至少一实施例的采样单元的电路结构示意图；

图5示出了根据本公开至少一实施例的采样单元工作原理的概念示意图；

图6示出了根据本公开至少一实施例的像素单元的电路结构示意图；

图7A示出了根据本公开至少一实施例的采样单元的线性采样模式和对数采样模式的信号读出路径；以及

图7B示出了图7A中的两个信号读出路径的入射光功率密度与输出电压的关系。

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

下面通过几个具体的实施例对本公开进行说明。为了保持本公开实施例的以下说明清楚且简明，可省略已知功能和已知部件的详细说明。当本公开实施例的任一部件在一个以上的附图中出现时，该部件在每个附图中由相同或类似的参考标号表示。

通常，图像传感器想要获得尽可能大的动态范围，对此，一方面优化像素单元所能探测的最低光强，另一方面增大其所能探测的最高光强。近些年对图像传感器动态范围拓展的研究，更多关注的是如何提升最高可探测光强。最低可探测光强与器件的放大特性以及系统的噪声水平高低有直接关系。目前在对于提高图像传感器动态范围的研究中，需要能够在扩展像素所能探测最低光强的同时，又能兼顾提高其所能探测最高光强的解决方案。与此同时，对于光强探测的研究也给相应的采样过程带来了极大挑战，例如，如何对能探测到的最低光强进行采样并得到其功率密度，如何针对所探测到的光强强度范围选择适当的采样模式，如何针对不同的光探测解决方案适配合适的采样解决方案等。

晶闸管(Thyristor)是一种具有四层PNPN结构的半导体器件，利用其在关态中暗电流小的特点，晶闸管被视为是具有潜力的感光器件并且被越来越多的人关注到在光探测器中的应用。由于晶闸管可以通过光信号实现关态与开态之间的相互转换，所以在光电探测领域，晶闸管通常被用作光开关，利用其在关态中暗电流小的特点进行光电探测。但是，处于关态的晶闸管对光的灵敏性较差，难以快速转换到开态。另外，晶闸管在关态和开态之间的负阻态是不稳定的过渡段。在关态和负阻态之间的转换点为开关点，在开关点附近的反馈放大态中，具有PNPN结构的晶闸管可以被抽象地理解为是两个相互耦合的三极管。当外加正向电压升高时，两个三极管之间的正反馈作用逐渐加强，使得晶闸管对外部信号的放大效果也不断增强，所以在开关点附近工作的晶闸管对光、温度等外部物理信号的敏感性很强。然而，考虑到晶闸管在静态特性中存在的不稳定的负阻态，以及由于工艺、温度等因素而导致偏置的不一致性等问题，传统意义上的晶闸管无法被快速地偏置到开关点附近复位感应模式进行光电探测。

为了解决上述问题，本公开至少一实施例提供一种光探测器单元，包括控制电路和与控制电路耦接的感光器件，该感光器件包括晶闸管，该控制电路用于控制该感光器件的操作。本公开至少一些实施例中，光探测器单元可以快速进入光感应模式(例如，进行微光感应)，可以实现在多个感应模式之间快速切换，并且进一步可在多模式条件下实现宽动态范围。

图1A示出了根据本公开至少一实施例的光探测器单元10的电路结构示意图。图1B示出了图1A中的感光器件100的示例结构的示意图。该光探测器单元10可以快速进入光感应模式(例如，进行微光感应)，实现在多个感应模式之间快速切换，并且还可以在多模式条件下实现宽动态范围。

如图1A所示，光探测器单元10包括控制电路和与控制电路耦接的感光器件100，其中，控制电路被配置为根据一个或多个控制信号控制感光器件100的操作，包括控制感光器件100的工作状态的建立和工作模式的切换等操作。

如图1A所示，光探测器单元10的控制电路可以包括第一开关元件，该第一开关元件例如为第一选择晶体管M1，其中，第一选择晶体管M1的第一源漏极可以配置为与感光器件100的第一电极121电连接，第一选择晶体管M1的第二源漏极可以配置为与感光器件100的第三电极123电连接。在一些实施例中，第一选择晶体管M1的第一源漏极与感光器件100的第一电极121还可以配置为与第二电源电压端VSS电连接，其中，感光器件100的第一电极121与第二电源电压端VSS电连接，使得感光器件100能够将接收到的光信号转换为电信号。在一些实施例中，第一选择晶体管M1可以是N型晶体管，诸如NMOS管。

如图1A所示，光探测器单元10的控制电路还可以包括第二开关元件，该第二开关元件例如为第二选择晶体管M2，其中，第二选择晶体管M2的第一源漏极配置为与感光器件100的第二电极122电连接，第二选择晶体管M2的第二源漏极配置为与感光器件100的第四电极124电连接。在一些实施例中，第二选择晶体管M2可以是P型晶体管，诸如PMOS管。

如图1A所示，光探测器单元10的控制电路还可以包括第三开关元件，该第三开关元件例如为复位晶体管M3，其中，复位晶体管M3的第一源漏极配置为与感光器件100的第二电极122以及第二选择晶体管M2的第一源漏极电连接，复位晶体管M3的第二源漏极配置为与第一电源电压端VDD电连接。在一些实施例中，复位晶体管M3可以是P型晶体管，诸如PMOS管。例如，第一电源电压端VDD的电压高于第二电源电压端VSS；例如，第一电源电压端VDD为3V，第二电源电压端VSS为接地端。

根据本公开的至少一实施例，如上所示的第一选择晶体管M1和第二选择晶体管M2可用于控制感光器件100的工作模式，例如用于建立或取消光探测器单元10的光探测模式。具体地，第一选择晶体管M1的栅极可以连接到相应的信号线以接收光模式设置信号SEL1，第二选择晶体管M2的栅极可以连接到相应的信号线以接收光模式设置信号SEL2。如上所示的复位晶体管M3可用于感光器件100的复位操作。具体地，复位晶体管M3的栅极可以连接到相应的信号线以接收复位信号RST。

如图1A所示，在光探测器单元10中，感光器件100的主栅极112可以连接电压信号V

下面将结合图1B进一步描述上述感光器件100的结构。

如图1B所示，感光器件100可以包括包含主表面101的半导体衬底，例如，该半导体衬底为硅衬底，诸如纯的单晶硅衬底或掺杂的单晶硅衬底。主表面101可以包括相邻设置且具有不同掺杂类型的第一区102和第二区103，其中，第一区102中形成有第三区104和第五区106、第二区103中形成有第四区105和第六区107。如图1B所示，第三区104与第二区103具有第一间隔d

例如，在一些实施例中，第一区102、第四区105和第五区106可以具有相同的掺杂类型；对应地，第二区103、第三区104和第六区107可以具有相同的另一掺杂类型。例如，第一区102、第四区105和第五区106的掺杂类型可以为N型(例如，掺杂磷(P)或砷(As))，而第二区103、第三区104和第六区107的掺杂类型为P型(例如，掺杂硼(B))，此时感光器件100为P型感光器件；或者，第一区102、第四区105和第五区106的掺杂类型可以为P型，而第二区103、第三区104和第六区107的掺杂类型为N型，此时感光器件100为N型感光器件。本公开对上述掺杂类型的设置不作限制。

例如，在一些实施例中，第四区105和第五区106的掺杂浓度可以分别大于第一区102的掺杂浓度，例如，第四区105可以为掺杂浓度大于第一区102的掺杂浓度的重掺杂区。在还有一些实施例中，第三区104和第六区107的掺杂浓度可以分别大于第二区103的掺杂浓度，例如，第三区104可以为掺杂浓度大于第二区103的掺杂浓度的重掺杂区。

例如，在一些实施例中，主表面101中可以包括位于第一区102中的第一槽隔离区131和位于第二区103中的第二槽隔离区132，其中，第三区104和第五区106通过第一槽隔离区131间隔开，第四区105和第六区107通过第二槽隔离区132间隔开。然而，在另一些实施例中，主表面101中可以不包括图1B中示出的第一槽隔离区131和第二槽隔离区132。

如图1B所示，感光器件100还可以包括设置在主表面101上的栅绝缘层111，以及相邻地设置在栅绝缘层111上且彼此绝缘的主栅极112、第一侧栅极117和第二侧栅极114。该栅绝缘层111，例如，可以为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等。主栅极112可以在垂直于主表面101的方向上至少部分地对应于沟道区设置，第一侧栅极117可以在垂直于主表面101的方向上至少部分对应于第一间隔d

例如，在一些实施例中，感光器件100还可以进一步包括第一侧壁绝缘层116，以将主栅极112与第一侧栅极117绝缘。感光器件100可以包括第三侧壁绝缘层113，以将主栅极112与第二侧栅极114绝缘。

另外，在一些实施例中，感光器件100还可以包括设置在主表面101上且与第一侧栅极117相邻的第二侧壁绝缘层118，并且第一侧栅极117与第二侧壁绝缘层118相邻的侧面至少部分地被第一侧壁绝缘层116覆盖。感光器件100还可以包括设置在主表面101上且与第二侧栅极114相邻的第四侧壁绝缘层115，并且第二侧栅极114与第四侧壁绝缘层115相邻的侧面至少部分地被第三侧壁绝缘层113覆盖。

如图1B所示，感光器件100还可以包括设置在主表面101上的第一电极121、第二电极122、第三电极123和第四电极124。在一些实施例中，第一电极121可以直接或间接地与第三区104电接触，第二电极122可以直接或间接地与第四区105电接触，第三电极123可以在垂直于主表面101的方向上对应于第五区106，直接或间接地与第五区106电接触；第四电极124可以在垂直于主表面101的方向上对应于第六区107，直接或间接地与第六区107电接触。第一电极121、第二电极122、第三电极123和第四电极124例如可以为多晶硅电极、金属化电极(例如，硅化钨)或金属电极等。

在该实施例的另一示例中，半导体衬底还可以包括半导体基底，例如，图1B中的第一区102等可以形成在该半导体基底上，在这种情况下，第一区102为形成该基底上阱区，而第二区103为形成在该基底上的阱区或形成在第一区102中的阱区等。例如，该半导体基底的掺杂类型与第一区102相同，例如掺杂浓度小于第一区102的掺杂浓度。

当有光入射到感光器件100时，在感光器件100的第一区102与第二区103之间的反偏PN结处可以产生光生载流子，其中空穴会在电场的作用下漂移进入第一区102，并被发射结(即第一区102与第二区103之间的PN结)的势垒所阻挡，因此一部分空穴陷入到第一区102并形成过剩的正电荷，使得发射结势垒降低，从而引起由第三区104向第二区103的电子注入增加；与此同时，电子会在电场的作用下漂移进入第二区103，并被发射结的势垒所阻挡，因此一部分电子陷入到第二区103并形成过剩的负电荷，使得发射结势垒降低，从而引起由第四区105向第一区102的空穴注入增加。由此，在感光器件100内部可以形成电流正反馈，使得感光器件100可以在短时间内快速开启。

下面将参照图2A和图2B，并进一步结合图1A和图1B，详细说明本公开至少一实施例提供的光探测器单元的操作方法及工作原理。图2A和图2B示出了根据本公开至少一实施例的光探测器单元的操作原理示意图。

如图2A所示，图2A示出了光探测器单元在工作中可以包括重置模式和感应模式，其中，在感应模式期间，可以进一步包括状态I’、状态II’和状态IV’。图2A中所示的重置模式、状态I’、状态II’和状态IV’分别对应于图2B中的重置模式、状态I’、状态II’和状态IV’。例如，在一些实施例中，当光探测器单元处于重置模式时表示该光探测器单元处于关态，并且可以将光探测器单元复位到初始状态；当光探测器单元处于状态I’时表示该光探测器单元处于超级关断状态；当光探测器单元处于状态II’时表示该光探测器单元处于反馈放大态；当光探测器单元处于状态IV’时表示该光探测器单元处于开态，这些状态及其之间的转换将在下面进一步地描述。

下面，以上述感光器件为N型感光器件、第一选择晶体管M1为NMOS管、第二选择晶体管M2为PMOS管以及复位晶体管M3为PMOS管为例进行说明。如图2A所示，当复位信号RST置低、模式设置信号SEL1置高以及模式设置信号SEL2置低时，感光器件处于重置模式，例如，重置模式可以包括复位状态和二极管状态。具体地，参照图2A，当复位信号RST置低、模式设置信号SEL1置高以及模式设置信号SEL2置低时，感光器件处于复位模式，通过对第二电极122和第四电极施加第一电源电压VDD而将感光元件复位到初始状态，以便进行后续工作周期；之后，例如，当复位信号RST置高、模式设置信号SEL1置高以及模式设置信号SEL2置低时，感光器件处于二极管状态，从而可以用于感光。当复位信号RST置高、模式设置信号SEL1置低以及模式设置信号SEL2置高时，感光器件可以进入感应模式(即，光探测模式)。

例如，结合图1A所示的光探测器单元10，图2A中的V

当复位信号RST置高时，复位晶体管M3关断。将模式设置信号SEL1置低以及模式设置信号SEL2置高，以保持第一选择晶体管M1和第二选择晶体管M2关断，使得感光器件100可以进入光探测模式，其中，在复位晶体管M3关断并且将模式设置信号SEL1置低以及模式设置信号SEL2置高的初始，即光探测器单元处于超级关断状态时，V

具体地，当图1A中的感光器件100(即图1B的感光器件100)为N型感光器件，第一选择晶体管M1为N型晶体管，第二选择晶体管M2为P型晶体管，并且复位晶体管M3为P型晶体管时，在模式设置信号SEL1置高且模式设置信号SEL2置低时，可以保持第一选择晶体管M1和第二选择晶体管M2开启。在该情形下，将感光器件100的第一电极121与第三电极123短接并接低电位，将感光器件100的第二电极122与第四电极124短接并接高电位，例如，将感光器件100的第二电极122与第四电极124悬空，此时感光器件100可视为反偏的PN结，从而可以将感光器件100操作为一般的光电二极管进行光感应。

在一些实施例中，在将感光器件100的第二电极122与第四电极124短接且将第二电极122和第四电极124悬空之前，如上所述，可以通过将感光器件100的第二电极122与第四电极124短接且将第二电极122和第四电极124与第一电源电压(例如，图1A中示出的第一电源电压端VDD)连接以对感光器件100进行复位。

在模式设置信号SEL1置低以及模式设置信号SEL2置高时，可以保持第一选择晶体管M1和第二选择晶体管M2关断。在该情形下，将感光器件100的第一电极121与第三电极123从短接断开，以及将感光器件100的第二电极122与第四电极124从短接断开，由于感光器件100的第二电极122处的寄生电容可以因为例如在第二电极122处添加了感应电容而大于第四电极124处的寄生电容，根据电容自举效应，感光器件100的第二区103(如图1B所示)的电势大于第四区105的电势，使得第二区103与第四区105之间形成的PN结保持反偏，从而使感光器件100进入到超级关断状态(如图2A和图2B中所示的状态I’)。此时，感光器件100可以进入光探测模式，即进入如图2A中所示的感应模式。

例如，在一些实施例中，在感光器件100进入光探测模式期间，向感光器件100的至少一个栅极，例如，第一侧栅极117施加控制电压，可以使得感光器件100在有光入射的过程中开启。

具体地，例如，当在感光器件100的第一侧栅极117施加适当的正压作为控制电压时，感光器件100的第一区101中的少数载流子电子会在第一侧壁绝缘层116下方的主表面101中积累并形成反型层，从而形成从第一区102到第一电极121的下拉电流，使得上述第一区102与第四区105之间形成的PN结从反偏变为正偏。此时，感光器件100可以进入到反馈放大态(如图2A和图2B中所示的状态II’)，并且在一段时间后，感光器件100进入到开态(如图2A和图2B中所示的状态IV’)。

当光探测器单元10探测到光时，即当有光入射到感光器件100时，参照图1B所示的感光器件100，在感光器件100的第一区102与第二区103之间的反偏PN结处可以产生光生载流子，其中空穴会在电场的作用下漂移进入第一区102，并被发射结(即第一区102与第二区103之间的PN结)的势垒所阻挡，因此一部分空穴陷入到第一区102并形成过剩的正电荷，使得发射结势垒降低，从而引起由第三区104向第二区103的电子注入增加；与此同时，电子会在电场的作用下漂移进入第二区103，并被发射结的势垒所阻挡，因此一部分电子陷入到第二区103并形成过剩的负电荷，使得发射结势垒降低，从而引起由第四区105向第一区102的空穴注入增加。由此，在感光器件100内部可以形成电流正反馈，使得处于开态的感光器件100在短时间内快速开启。在一些实施例中，通过检测感光器件100的开启的时刻来对入射光功率密度进行定量地表征，可以实现对光功率密度很小的入射光的感应。

换言之，如上所述的光探测器单元10通过上述的操作方法不仅可以实现一般的光探测，并且进一步地，通过记录感光器件100在有光入射的过程中开启的时刻，可以实现微光感应，并且通过检测感光器件开启的时刻来对入射光功率密度(即，光强)进行定量地表征，例如，转换为数字值，以用于后续处理。

图2C示出了根据本公开至少一实施例的光探测器单元中的感光器件的开启的时刻与入射光功率密度的关系图。

如图2C所示，根据本公开至少一实施例的光探测器单元中的感光器件(例如，图1A和/或图1B的感光器件100)，在不同的入射光功率密度(P)下，可以确定在感光器件100中检测出电压骤降和/或电流峰值时所对应的时刻，即感光器件100的开启的时刻，其中，图2C中的坐标原点0对应于前述图2A中复位RST开始的时间。并且，从图2C可知，入射光功率密度越高，感光器件100的开启的时刻越早。具体而言，如图2C所示，当入射光功率密度为1.5×10

如上所述，这样的感光器件对沟道区载流子的控制能力强，从而具有快速开启和关断的能力，并且由于上述感光器件100的开启的时刻与入射光功率密度有关，因此通过记录感光器件100在有光入射的过程中开启的时刻，可以实现对不同强度的光的感应，尤其可以对光功率密度小于1×10

为了解决上述问题，本公开至少一实施例还提供了一种采样单元，该采样单元可以从光探测器单元接收感光信号，并输出相应的采样信号，以用于对由光探测器单元感应到的入射光功率密度(即，光强)进行定量地表征，例如，转换为数字值。

图3示出了根据本公开至少一实施例的像素单元的示意图，该像素单元包括光探测器单元310以及与光探测器单元310耦接的采样单元320。例如，图像传感器可以包括排列为阵列的多个像素单元，该阵列包括多行多列像素单元，例如同一行像素单元共用相同的一条或多条行选择信号线，同一列像素单元共用相同的一条或多条列输出信号线。

如图3所示，光探测器单元310探测到光时，即有光入射到光探测器单元310中的感光器件300时，感光器件300内部可以形成电流正反馈并在短时间内快速开启。如图3所示，光探测器单元310可以在感光器件300开启时向采样单元320发送感光信号。采样单元320从光探测器单元310接收到感光信号后，可以基于所接收到感光信号生成相应的采样信号。通过从采样单元320输出的采样信号的信息，可以推出光探测器单元310的感光器件300的开启时间，进而得出光探测器单元310探测到的入射光的功率密度。该采样信号例如被进行一步处理(例如，模数转换等)以用于其他操作(形成图像)，例如，入射光的功率密度可以对应图像像素的灰阶。

本公开至少一实施例提供了一种采样单元，该采样单元包括：开关晶体管、第一源极跟随晶体管、第二源极跟随晶体管和第一读出选择晶体管，其中第一源极跟随晶体管的第一源漏极为与开关晶体管的第一源漏极电连接，第一源极跟随晶体管的第二源漏极与第二源极跟随晶体管的栅极电连接，第一源极跟随晶体管的栅极配置为接收第一电压控制信号，第二源极跟随晶体管的第一源漏极与第一读出选择晶体管的第一源漏极电连接，并且开关晶体管的栅极被配置为接收感光信号。

例如，在本公开至少一实施例提供的采样单元中，开关晶体管的第二源漏极与第一电源电压端电连接，第二源极跟随晶体管的第一源漏极与第一电源电压端电连接。第一读出选择晶体管的第二源漏极与第一列输出端电连接，第一读出选择晶体管的栅极被配置为接收第一行选择信号。

本公开的任一实施例还提供上述采样单元的操作方法，以进行对入射光功率密度进行定量地表征。本公开的任一实施例还提供包括上述光探测器单元的像素单元或电子装置。

下面结合附图对本公开的一些实施例的用于上述光探测器单元的示例性采样单元进行详细说明。

图4示出了根据本公开至少一实施例的采样单元的电路结构示意图，并且对于该实施例也可以参考图6。如图4所示，采样单元20可以包括开关晶体管M5、第一源极跟随晶体管M6、第二源极跟随晶体管M8和第一读出选择晶体管M9。

在一些实施例中，开关晶体管M5可以作为采样单元20中的开关器件，其栅极被配置为从光探测器单元接收感光信号V

在一些实施例中，第一源极跟随晶体管M6和第二源极跟随晶体管M8可以作为采样单元20中的源漏极跟随器，它们源极上输出的电压可以分别跟随从它们的栅极上施加的电压信号变动。例如，在图4所示的实施例中，第一源极跟随晶体管M6的栅极被配置为接收第一电压控制信号WL3，即第一源极跟随晶体管M6被用作跟随第一电压控制信号WL3的跟随器；第一源极跟随晶体管M6的源极与第二源极跟随晶体管M8的栅极电连接，在这种情况下，第二源极跟随晶体管M8栅极处的电容电压可以随着第一源极跟随晶体管M6栅极处接收到的第一电压控制信号WL3而变化，因此，第二源极跟随晶体管M8的栅电容可以作为采样电容，以对采样单元20接收到的感光信号进行采集。

在一些示例中，第二源极跟随晶体管M8的漏极也可以与第一电源电压端VDD电连接，例如与开关晶体管M5的漏极连接到同一电源电压端VDD。

在一些实施例中，第一读出选择晶体管M9的栅极被配置为接收第一行选择信号WL2，其漏极与第二源极跟随晶体管M8的源极相连，其源极与第一列输出端BL2电连接，以用作信号读出选通管来实现采样单元与列输出端的选择性连接。

在图4所示的实施例中，开关晶体管M5、第一源极跟随晶体管M6、第二源极跟随晶体管M8和第一读出选择晶体管M9均为N型晶体管。本公开的实施例对上述晶体管类型的设置不作限制，例如，如果将电路中一个晶体管的类型改变，那么将相应调整例如控制信号，例如，通过方波信号的高电平开启N型晶体管，通过方波信号的低电平开启P型晶体管，并且N型晶体管的源极接低压端，而P型晶体管的源极接高压端。

当上述采样单元20与光探测器单元(例如，如图3中的光探测器单元310)连接以进行采样时，可以通过开关晶体管M5的栅极从光探测器单元接收感光信号V

例如，对第一源极跟随晶体管M6的栅极施加的第一电压控制信号WL3可以是周期性电信号(如下所述参考图5)，例如包括单向变化部分的周期性电信号，每个周期可以包括例如三角波的单向变化部分或者半个正弦波的单向变化部分。当开关晶体管M5的栅极接收到感光信号V

例如，开启第一读出选择晶体管M9以通过第一列输出端BL2输出采样信号可以包括周期性地向第一读出选择晶体管M9的栅极施加第一行选择信号WL2。当第二源极跟随晶体管M8的栅电容电压跟随着第一源极跟随晶体管M6的栅极处施加的周期性电信号而周期性变化，由于周期性地向第一读出选择晶体管M9的栅极施加第一行选择信号WL2，可以从第一读出选择晶体管M9的第一列输出端BL2输出的具有周期性规律的采样信号。而当第二源极跟随晶体管M8的栅电容电压不再跟随着第一源极跟随晶体管M6的栅极处施加的周期性电信号发生周期性变化并开始以恒定的漏电流漏电时，从第一读出选择晶体管M9的第一列输出端BL2输出的采样信号也将发生相应变化。

在一些实施例中，还可以根据从第一列输出端BL2输出的采样信号获取采样单元20的开关晶体管M5的关断时间，并且可以基于开关晶体管M5的关断时间来计算入射光功率密度。

下面将结合图5进一步阐述如何通过图4的采样单元20来计算入射光功率密度。图5示出了图4的采样单元20的工作原理的概念示意图。

考虑到在入射光功率密度较小时，与采样单元20相连接的光探测器单元的感光器件开启所需要的时间会很长(例如，在几十ms量级)，在这种情况下对于电路的要求将会极高，尤其当利用具有斜坡模式的信号时。因此，为了降低对电路的设计要求，采用了在一个采样周期内利用短时间斜坡信号进行周期性扫描的方法，然后可以用算法推演出光探测器单元的感光器件开启的时间。

如图5所示，可以将采样单元20的一个采样周期均分为多个时间段，例如四个时间段或者其他数量个的时间段，并且将每个时间段的时间作为第一电压控制信号WL3进行周期性扫描的时间。如上所述，在开始时，例如，没有光入射的情况下，感光信号V

由于光探测器单元的感光器件受到光照后会在一段时间后开启，例如，在第四个时间段(即t

基于上述描述可知，如果感光器件没有受到光照并开启，在时间段t

因此，根据本公开的至少一实施例的采样单元可以通过对从光探测器单元的感光器件接收到的感光信号进行采样，获取开关晶体管M5的关断时间及相应的光探测器单元的感光器件的开启时间，并且基于感光器件的开启时间计算入射光的功率密度，从而实现对功率密度较小的入射光的定量表征。

此外，如上所述，根据本公开至少一实施例的图1A和图1B的光探测器单元既可以进行微光感应，又可以操作为一般的光电二极管或三极管进行光感应。由此，本公开的至少一实施例还提供了一种可以对在多个模式之间操作光探测器单元进行采样的采样单元。

图6示出了根据本公开至少一实施例的另一像素单元60的电路结构示意图；该像素单元的采样单元可以对在多个模式之间操作光探测器单元进行采样。

如图6所示，像素单元60包括图1A和图1B所示的光探测器单元10和采样单元620。其中，光探测器单元10的电路结构可参见上面的描述，这里不再赘述。采样单元620包括图4的采样单元20的上述所有部件并且采样单元620的电路结构的一部分与图4的采样单元20的电路结构相同，这里也不再赘述。在一些实施例中，采样单元620还可以包括附件部件用于切换采样模式，以根据光探测器单元10在不同模式之间的切换来进行不同模式的采样。

如图6所示，采样单元620还包括模式选择晶体管M4和第二读出选择晶体管M7。

在一些实施例中，模式选择晶体管M4可以作为采样单元的模式切换选通器件，用于采样模式的切换。例如，在图6所示的实施例中，模式选择晶体管M4的源极与光探测器单元10的感光器件100的第二电极122相连接并被配置为从感光器件100接收感光信号，其漏极与第一源极跟随晶体管M6第一源漏极电连接，其栅极被配置为接收模式选择信号MS。

在一些实施例中，第二读出选择晶体管M7的栅极被配置为接收第二行选择信号WL1，其漏极与第一源极跟随晶体管M6的源极相连，其源极与第二列输出端BL1电连接，以用作信号读出选通管来实现采样单元与列输出端的选择性连接。

此外，在一些实施例中，开关晶体管M5、第一源极跟随晶体管M6、第二读出选择晶体管M7、第二源极跟随晶体管M8和所述第一读出选择晶体管M9可以是N型晶体管，而模式选择晶体管M4是P型晶体管。本公开对的实施例上述晶体管的类型的设置不作限制。

如图6所示，采样单元620的开关晶体管M5的栅极和模式选择晶体管M4的源极均与光探测器单元10的感光器件100的第二电极122相连以用于从光探测器单元10的感光器件100接收感光信号。当上述采样单元620对从光探测器单元10接收的感光器件进行采样时，可以通过对模式选择晶体管M4施加模式选择信号MS，以根据光探测器单元10的工作模式来选择采样单元620的操作模式。

下面将结合光探测器单元10详细描述采样单元620的操作方法。

例如，在一些实施例中，当光探测器单元10的感光器件100受到入射光照射时，将模式设置信号SEL1置高且将模式设置信号SEL2置低，保持第一选择晶体管M1和第二选择晶体管M2开启；将复位信号RST置低，保持复位晶体管M3开启，以实现对光探测器单元10的复位。此时，将复位信号RST置高，保持复位晶体管M3关断，将模式设置信号SEL1置低且将模式设置信号SEL2置高，保持第一选择晶体管M1和第二选择晶体管M2关断，则光探测器单元10可以进入到微光感应模式。

当光探测器单元10进入微光感应模式时，相应地，使用采样单元620的微光采样模式来对从光探测器单元10接收到的感光信号V

具体地，通过模式选择信号MS关断采样单元630的模式选择晶体管M4并使得向第二读出选择晶体管M7的栅极施加的第二行选择信号WL1置低，将第二读出选择晶体管M7关断，则此时采样单元620等价于图4所示的采样单元20。由于感光器件100的第二电极122的电压高，开关晶体管M5导通，对第一源极跟随晶体管M6的栅极施加固定模式的第一电压控制信号WL3，例如周期性的电信号。此时，第二源极跟随晶体管M8的栅电容电压跟随着第一源极跟随晶体管M6的栅极处施加的周期性电信号而周期性变化。一定时间后，感光器件100开启，感光器件100的第二电极122的电压，即感光信号V

例如，在一些实施例中，当光探测器单元10的感光器件100受到入射光照射时，将模式设置信号SEL1和模式设置信号SEL2均置低，保持第一选择晶体管M1关断和第二选择晶体管M2开启；将复位信号RST置低，保持复位晶体管M3开启，以实现对光探测器单元10的复位。在这种情况下，如果仅将复位信号RST置高，复位晶体管M3关断，则光探测器单元10可以进入到三极管感应模式。

当光探测器单元10进入三极管感应模式时，相应地，使用采样单元620的三极管采样模式来对从光探测器单元10接收到的感光信号进行采样。具体地，对模式选择晶体管M4施加模式选择信号MS以开启模式选择晶体管M4。开启第一源极跟随晶体管M6，并使得向第二读出选择晶体管M7的栅极施加的第二行选择信号WL1置低，将第二读出选择晶体管M7关断。此时，通过第二源极跟随晶体管M8的栅极接收所述感光信号，也就是说，将第二源极跟随晶体管M8的栅电容作为采样电容来采集感光器件100的第二电极122的电压信号。向第一读出选择晶体管M9的栅极施加第一行选择信号WL2，并可以直接从第一读出选择晶体管M9的第一列输出端BL2读取采样信号。

例如，在又一些实施例中，当光探测器单元10的感光器件100受到入射光照射时，将模式设置信号SEL1置高且将模式设置信号SEL2置低，保持第一选择晶体管M1和第二选择晶体管M2开启；将复位信号RST置低，保持复位晶体管M3开启，以实现对光探测器单元10的复位。直接将复位信号RST置高，复位晶体管M3关断，则光探测器单元10可以进入到二极管感应模式。

当光探测器单元10进入二极管感应模式时，相应地，使用采样单元620的二极管采样模式来对从光探测器单元10接收到的感光信号进行采样。进一步地，根据本公开的至少一实施例，采样单元620的二极管采样模式可以包括线性采样模式和对数采样模式。

下面将结合图7A和图7B详细描述采样单元620的两种二极管采样模式的操作方法。图7A示出了采样单元620的线性采样模式和对数采样模式的信号读出路径；图7B示出了图7A中的两种信号读出路径的入射光功率密度与输出电压的关系。

当感光器件100处的入射光功率密度较小时，采样单元620可以采用如图7A中所示的线性采样模式。具体地，关断模式选择晶体管M4，保持第一源极跟随晶体管M6开启。此时，通过开关晶体管M5的栅极接收所述感光信号，也就是说，将开关晶体管M5的栅电容作为采样电容来采集感光器件100的第二电极122的电压信号。对第二读出选择晶体管M7的栅极施加第二行选择信号WL1，开启第二读出选择晶体管M7，并通过第二列输出端BL1读取采样信号。

当感光器件100处的入射光功率密度较大时，采样单元620可以采用如图7A中所示的对数采样模式进行采样。具体地，对模式选择晶体管M4施加模式选择信号MS以开启模式选择晶体管M4。开启第一源极跟随晶体管M6，并向第二读出选择晶体管M7的栅极施加特定电压值的第二行选择信号WL1，以使得第二读出选择晶体管M7处于亚阈值工作状态。此时，通过第二源极跟随晶体管M8的栅极接收感光信号，也就是说，将第二源极跟随晶体管M8的栅电容作为采样电容来采集感光器件100的第二电极122的电压信号。向第一读出选择晶体管M9的栅极施加第一行选择信号WL2，并可以直接从第一读出选择晶体管M9的第一列输出端BL2读取采样信号。

进一步参照图7B可知，当入射光功率密度较小时，入射光功率密度与输出电压的关系更趋近线性关系；而当入射光功率密度较大时，入射光功率密度与输出电压的关系更接近对数关系。因此，当采样单元620使用二极管采样模式对接收到的感光信号进行采样时，通过如上所述的根据入射光功率密度的大小选择不同的二极管采样模式，可以使采样单元620更准确地进行采样。

另外，如上所述，根据本公开至少一实施例的光探测器单元既可以进行微光感应，又可以操作为一般的光电二极管或三极管进行光感应，由此，本公开的至少一实施例还提供了一种在多个模式之间操作光探测器单元的方法。

例如，在一些实施例中，将模式设置信号SEL1和模式设置信号SEL2均置低，保持第一选择晶体管M1关断和第二选择晶体管M2开启；将复位信号RST置低，保持复位晶体管M3开启，以实现对光探测器单元10的复位。在这种情况下，如果仅将复位信号RST置高，复位晶体管M3关断，则光探测器单元10可以进入到三极管模式。此时，将模式设置信号SEL1置低且将模式设置信号SEL2置高，保持第一选择晶体管M1和第二选择晶体管M2关断，则光探测器单元10可以进入到光探测模式，例如，可以通过控制感光器件100的工作状态以进行微光感应，从而实现了将光探测器单元10从三极管感应到微光感应的转换。

相应地，对于采样单元620来说，在光探测器单元10进入到三极管模式的情形，对模式选择晶体管M4施加模式选择信号MS以开启模式选择晶体管M4；开启第一源极跟随晶体管M6，并将向第二读出选择晶体管M7的栅极施加的第二行选择信号WL1置低以关断第二读出选择晶体管M7。此时，可以通过第二源极跟随晶体管M8的栅极从光探测器单元10接收感光信号；向第一读出选择晶体管M9的栅极施加第一行选择信号WL2，以从第一读出选择晶体管M9的第一列输出端BL2读取对所接收的感光信号的采样信号。此时，采样单元620可以在三极管采样模式下对感光信号进行采样。

当要将光探测器单元10从三极管感应转换到微光感应时，向第一源极跟随晶体管M6的栅极施加周期性的第一电压控制信号WL3，关断模式选择晶体管M4并且开关晶体管M5处于导通，此时，第二源极跟随晶体管M8的栅电容电压跟随着第一电压控制信号WL3而周期性变化。当光探测器单元10转换到微光感应状态后，开关晶体管M5关断，向第一读出选择晶体管M9的栅极施加第一行选择信号WL2，并从第一读出选择晶体管M9的第一列输出端BL2读取对所接收的感光信号的采样信号。此时，采样单元620在微光采样模式下对感光信号进行采样。由此，实现了将采样单元620从三极管感应到微光感应的转换。

基于上述方法，采样单元620可以与光探测器单元10相对应地实现在多个模式之间的操作。但应当理解，上述关于不同模式间切换的描述仅是示例性的，并且多个模式之间没有必然的顺序关系。

因此，根据本公开的至少一实施例的采样单元620可以同时满足二极管采样、三极管采样和微光采样三种模式，并且在一些实施例中，针对能够实现在多个模式之间进行操作的光探测器单元10，采样单元620同样可以在多个模式之间进行切换以选择相应的采样模式进行采样，从而实现多模式、宽动态范围的信号采样。

在本公开的至少一个实施例还公开了一种电子装置，该电子装置包括上述任一实施例的像素单元，像素单元的采样单元以用于对光探测器单元的进行采样。例如，该电子装置可以是感光元件，例如，图像传感器。

对于本公开，有以下几点需要说明：

(1)本公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。

(2)在不冲突的情况下，本公开同一实施例及不同实施例中的特征可以相互组合。

以上，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。