一种具备雪崩二级放大的4T1D像素电路

技术领域

本发明属于光电技术领域，具体地说，本发明涉及一种具备雪崩二级放大的4T1D像素电路。

背景技术

雪崩光电二极管指的是在激光通信中使用的光敏元件。在以硅或锗为材料制成的光电二极管的P-N结上加上反向偏压后，射入的光被P-N结吸收后会形成光电流。加大反向偏压会产生“雪崩”(即光电流成倍地激增)的现象。

硅(Si)材料是最早使用的雪崩光电二极管材料，其可以探测波长小于1.1um波段的光。Si材料的电子空穴离化比差异较大，所制备的雪崩倍增探测器噪声特性优异，而且其价格低廉，可以与微电子工艺兼容，是可见光波段首选的雪崩探测器材料。

现有的像素电路中光电二极管可以选择雪崩光电二极管以产生光生信号，其中，雪崩光电二极管通常采用耗尽型PIN二极管的结构，并采用非晶硅作为半导体材料，但是非晶硅迁移率较低，为此，又出现了采用多层非晶硅结构为半导体材料的，但是多层非晶硅的结构具有较高的漏电流。

现有的像素电路通常采用3T1D结构，即3个晶体管1个二极管的结构。对比文件(CN113630567A)提出了一种读出电路，所述读出电路耦接到像素电路，用于从所述像素电路读出信号。该对比文件中使用的一种像素电路即是传统的3T1D结构，只能实现对信号的一级放大。

综上，本发明设计了一种可以自放大的雪崩二极管，并结合放大读取电路，提出了一种具备雪崩二级放大的4T1D像素电路。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提出了一种具备雪崩二级放大的4T1D像素电路，以达到克服多层非晶硅的雪崩光电二极具有较高的漏电流的问题，实现使用雪崩光电二极管进行信号一级放大再由放大读取电路进行二级放大的目的。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种具备雪崩二级放大的4T1D像素电路，所述电路包括实现一级放大的雪崩光电二极管、实现二级放大的放大读取电路，其中，所述雪崩光电二极管将光信号转换为电信号后对所述电信号进行一级放大，一级放大后的电信号再由所述放大读取电路进行二级放大后输出。

进一步，所述雪崩光电二极管依次由P+掺杂浓度层、P掺杂浓度层、本征层、N掺杂浓度层、N+掺杂浓度层构成，其中，所述P+掺杂浓度层、P掺杂浓度层、N掺杂浓度层、N+掺杂浓度层上分别设置有电极。其中，所述P+掺杂浓度层、P掺杂浓度层、本征层、N掺杂浓度层、N+掺杂浓度层均由多层非晶硅结构制成。

进一步，所述P+掺杂浓度层、P掺杂浓度层、本征层、N掺杂浓度层、N+掺杂浓度层的厚度范围依次为1～10埃，10～50埃，100埃，10～50埃，1～10埃。

进一步，所述P掺杂浓度层和P+掺杂浓度层进行P型掺杂且通过单独成膜和单独刻蚀的方法制备，其中，P掺杂浓度层方块电阻范围为1E-15～1E-10ohm/sq，P+掺杂浓度层方块电阻范围为1E-13～1E-9ohm/sq。所述N掺杂浓度层和N+掺杂浓度层进行N型掺杂且通过单独成膜和单独刻蚀的方法制备，其中，N掺杂浓度层方块电阻范围为1E-10～1E-6ohm/sq，P+掺杂浓度层方块电阻范围为1E-8～1E-5ohm/sq。

进一步，在所述P掺杂浓度层的电极和所述N掺杂浓度层的电极之间施加加反偏电压V1，在所述P+掺杂浓度层的电极和所述N+掺杂浓度层的电极之间施加加反偏电压V2，通过调整所述反偏电压V1和V2之间的电压差对所述电信号进行一级放大，实现了对雪崩二极管的放大倍数的多级电压管控。

进一步，所述放大读取电路包括晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3、晶体管T4，其中，所述晶体管T1的第一端连接恒定的复位电压RST，晶体管T1的控制端连接复位信号Vrest，晶体管T1的第二端连接所述晶体管T2的控制端；晶体管T2的第一端连接电源电压VDD，晶体管T2的第二端连接所述晶体管T3的第一端；晶体管T3的控制端连接复位信号Vrest，晶体管T3的第二端连接恒定的复位电压RST；所述晶体管T4的第一端连接晶体管T2的第二端，晶体管T4的控制端连接读取信号Vread，晶体管T4的第二端作为所述放大读取电路的输出端。当所述所有的晶体管均采用NMOS型晶体管时，对应地，所有的晶体管的第一端为漏极，控制端为栅极，第二端为源极。

进一步，当光照射到所述雪崩光电二极管后，雪崩光电二极管将光信号转换为电信号并存储在其内部的结电容上，通过调整反偏电压V1和V2的压差对所述电信号进行一级放大，此时所述晶体管T1、T2、T3、T4初始均处于截止状态；光照结束后，晶体管T1和T3保持截止，晶体管T4导通，晶体管T2进入放大状态，所述一级放大后的电信号通过晶体管T2放大后从晶体管T4的第二端输出；输出结束后，晶体管T1和T3导通，晶体管T4截止，对晶体管T2进行复位，同时，通过调整反偏电压V1和V2的压差重置所述雪崩光电二极管的电信号；重置和复位完成后，晶体管T1和T3恢复截止。

本发明的技术效果为：(1)通过自设计的多层非晶硅结构的雪崩光电二极管实现了信号的一级放大；(2)通过放大读取电路，实现了对雪崩光电二极管产生的信号的屏蔽和选择，克服了多层非晶硅结构存在较高漏电流的问题；(3)通过放大读取电路，实现了经雪崩光电二极管一级放大后的信号的二级放大。

附图说明

图1为本发明一种具备雪崩二级放大的4T1D像素电路的电路图；

图2为本发明的雪崩光电二极管的结构示意图：其中，1、2、3、4分别为对应层的电极；

图3为本发明一种具备雪崩二级放大的4T1D像素电路的驱动时序图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。

一种具备雪崩二级放大的4T1D像素电路，其中，4T表示4个晶体管，1D表示一个光电二极管(在本发明中为雪崩光电二极管)，如图1所示，所述电路包括实现一级放大的雪崩光电二极管、实现二级放大的放大读取电路，其中，所述雪崩光电二极管将光信号转换为电信号后对所述电信号进行一级放大，一级放大后的电信号再由所述放大读取电路进行二级放大后输出。

进一步，为实现具有一级放大功能的雪崩光电二极管，本发明自设计了一种雪崩光电二极管结构，如图2所示。

本发明基于耗尽型非晶硅PIN二极管原理进行设计，即采用本征层(I层)进行感光，并产生光生电子光生载流子，通过外置电场将I层产生的电子和空穴分别从N和P极导出读取。

具体地，雪崩光电二极管依次由P+掺杂浓度层、P掺杂浓度层、本征层、N掺杂浓度层、N+掺杂浓度层构成，其中，所述P+掺杂浓度层、P掺杂浓度层、N掺杂浓度层、N+掺杂浓度层上分别设置有电极，对应地，P+掺杂浓度层上为电极1，P掺杂浓度层上为电极2，N掺杂浓度层上为电极3，N+掺杂浓度层上为电极4。进一步，在所述P掺杂浓度层的电极2和所述N掺杂浓度层的电极3之间施加加反偏电压V1，在所述P+掺杂浓度层的电极1和所述N+掺杂浓度层的电极4之间施加加反偏电压V2，通过调整所述反偏电压V1和V2之间的电压差即可实现对电信号进行一级放大，其中，V1分布在-10～-20V内，V2分布在-15～-25V内。

进一步，本发明的雪崩光电二极管的半导体材料采用多层非晶硅的结构，即所述P+掺杂浓度层、P掺杂浓度层、本征层、N掺杂浓度层、N+掺杂浓度层均由多层非晶硅结构制成。在本发明的一个实施例中，利用等离子体增强化学反应气相沉积(PECVD)制备多层非晶硅薄膜，通过加入金属镍并结合高温退火(250～450℃)诱导a-Si结晶，提高结晶度，该实施例中晶体化比例可达到10～50％，晶粒分布100～500nm。

本发明的雪崩光电二极管采用二级掺杂方案，P掺杂浓度层和P+掺杂浓度层进行P型掺杂且通过单独成膜和单独刻蚀的方法制备，其中，所述P型掺杂可以采用B2H6等P掺杂气体。另外，P掺杂浓度层需满足方块电阻范围为1E-15～1E-10ohm/sq，P+掺杂浓度层需满足方块电阻范围为1E-13～1E-9ohm/sq。类似地，所述N掺杂浓度层和N+掺杂浓度层进行N型掺杂且通过单独成膜和单独刻蚀的方法制备，其中，所述N型掺杂可以采用PH5等N掺杂气体。另外，N掺杂浓度层需满足方块电阻范围为1E-10～1E-6ohm/sq，P+掺杂浓度层需满足方块电阻范围为1E-8～1E-5ohm/sq。

在雪崩光电二极管制备过程中，为方便金属电极的引入，在本发明的一个实施例中，所述P+掺杂浓度层、P掺杂浓度层、本征层、N掺杂浓度层、N+掺杂浓度层的厚度范围依次为1～10埃，10～50埃，100埃，10～50埃，1～10埃，整体上呈梯度错开分布。

通过上述方案，可以制备具备一定多层非晶硅结构的P+PINN+结构的耗尽型二极管，并可以对每一层进行单独控制，同时引入了P-P+，N-N+两个冶金节。本发明的雪崩光电二极管在实际感光时，本征层、P-P+冶金节、N-N+冶金节三个耗尽区可以进行单独感光和光生电荷输出，相比于常规PIN耗尽二极管，可以有更多的光生载流子；另外，本发明采用多层非晶硅结构，本征层具备一定程度的结晶度，通过施加一个雪崩电压，可以促使结晶区的硅出现雪崩效果，进一步的增加光生载流子；实际过程中，施加的反偏电压V2通常大于反偏电压V1，可以促进P-P+冶金节和N-N+冶金节内的光生载流子出现和本征层相同的效果。

综上，入射光信号转换为电信号后在本发明的雪崩光电二极管内进行初步放大，实现一级放大机制和效果。

同时，为了克服多层非晶硅结构存在较高漏电流的问题，截取其高迁移率高转换率的部分，本发明引入了放大读取电路，对信号进行屏蔽和选择，同时，还可以实现对雪崩光电二极管一级放大后的信号进行二级放大。

具体地，如图1中所示，所述放大读取电路包括晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3、晶体管T4，其中，所述晶体管T1的第一端连接恒定的复位电压RST，晶体管T1的控制端连接复位信号Vrest，晶体管T1的第二端连接所述晶体管T2的控制端；晶体管T2的第一端连接电源电压VDD(在本发明的实施例中可设置为4V，具体的可依据实际进行调整)，晶体管T2的第二端连接所述晶体管T3的第一端；晶体管T3的控制端连接复位信号Vrest，晶体管T3的第二端连接恒定的复位电压RST；所述晶体管T4的第一端连接晶体管T2的第二端，晶体管T4的控制端连接读取信号Vread，晶体管T4的第二端作为所述放大读取电路的输出端输出电压Vout。在本发明的一个实施例中，所述所有的晶体管均采用NMOS型晶体管时，对应地，所有的晶体管的第一端为漏极，控制端为栅极，第二端为源极，在具体实施时，所述晶体管还可以是PMOS型等其他晶体管，在不改变电路工作原理的前提下，相应地电路调整均在发明的保护范围内。

结合本发明的驱动信号时序，如图3所示，以一行像素为例，后续的以此类推，本发明的电路工作原理为(所有晶体管均为NMOS型)：

定义本行像素的信号为读取信号Vread1，复位信号Vreset1，雪崩光电二极管反偏电压V1-1和V2-1，定义下一行信号为读取信号Vread2，复位信号Vreset2，雪崩光电二极管反偏电压V1-2和V2-2。

具体地，Xray(X光)启用，即当光照射到所述雪崩光电二极管后，初始的反偏电压V1-1和V2-1维持稳定，雪崩光电二极管工作，雪崩光电二极管将光信号转换为电信号并存储在其内部的结电容上，基于反偏电压V1和V2的压差对所述电信号进行一级放大，此时读取信号Vread1和复位信号Vreset1均为低电平，从而所述晶体管T1、T3、T4截止，晶体管T2初始默认处于截止状态，此时电路无信号输出。

Xray(X光)关闭，即光照结束后，读取信号Vread1变为高电平，复位信号Vreset1保持低电平，从而晶体管T1和T3保持截止，晶体管T4导通，晶体管T2进入放大状态，一级放大后的电信号通过晶体管T2实现二级放大再从晶体管T4的源极输出。由于雪崩光电二极管可以根据不同的光信号产生不同的电信号，进而可以调整不同的晶体管T2的栅极电压、回路中整体的电阻和输出电流差异、积分电流差异从而产生不同的信号和灰度。

输出结束后即本行读取完成，读取信号Vread1变为低电平，复位信号Vreset1变为高电平，从而晶体管T1和T3导通，晶体管T4截止，此时复位电压RST对晶体管T2的各个节点进行复位，在本发明的一个实施例中，复位电压RST设置为1.5V，具体实施时复位电压RST可分布在0～5V范围。另外，在复位信号Vreset1变为高电平的同时通过调整反偏电压V1和V2的压差重置雪崩光电二极管的电信号，调整雪崩光电二极管内部电荷重排，其中，引入晶体管T1和T3导通双复位晶体管对电路中的关键点位节点进行重置动作，有效降低初始电位对本帧的画面干扰，降低滞后。

重置和复位完成后，Vreset1重新变为低电平，即晶体管T1和T3截止，反偏电压V1-1和V2-1变为初始电压。

进一步，复位信号Vreset1与读取信号Vread2可以采用相同信号，在物理连接上属于同一个信号，根据该种方式可以降低电路复杂度和对驱动芯片数量的需求。

综上，本发明放大倍数的调整主要集中在以下几个位置：

(1)调整反偏电压V1和V2电压的压值，可以调整雪崩放大的效果，实现信号的初级放大，在本发明的一个实施例中，效率从70％提高到200～300％，实现对放大读取电路更高的控制和驱动控制。

(2)调整读取信号Vread的脉宽，可以增加读取时间，根据公式Q＝I*t，最大化积分电荷Q的差异，实现对二级放大进行初步调控。

(3)调整电源电压VDD和输出电压Vout的压差，根据I＝U/R，最大化电流的差异，可以进一步实现对二级放大的控制。

本发明通过自设计的多层非晶硅结构的雪崩光电二极管实现了信号的一级放大，并引入了放大读取电路克服了多层非晶硅漏电流的问题，同时实现了信号的二级放大。

以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。