專利名稱：光傳感器和環(huán)境光傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光傳感器，例如用于用作環(huán)境光傳感器。這樣的傳感
器例如與有源矩陣液晶顯示器(AMLCD)—起使用。
背景技術(shù)：
例如，AMLCD可能是透射顯示器，該透射顯示器由設(shè)置在該顯示器背向觀眾的一側(cè)上的背光進(jìn)行照明?？商鎿Q地AMLCD可以是透反射顯示器，該顯示器可由低環(huán)境照明條件中的背光或由亮的環(huán)境光條件中所反射的環(huán)境光進(jìn)行照明。希望根據(jù)環(huán)境光條件控制背光的強(qiáng)度，使得顯示在AMLCD上的圖像對(duì)觀眾總是清晰可見的但不是不舒服的刺眼的光。進(jìn)一步考慮的是，特別在結(jié)合進(jìn)例如移動(dòng)電話等移動(dòng)設(shè)備中的AMLCD的情況中，非常希望降低背光的功耗，以使電池壽命最大化。因此，在透反射顯示器的情況中，較佳是以低強(qiáng)度在很低的環(huán)境光條件下操作背光，以較高強(qiáng)度在中度環(huán)境光條件中操作背光，以確保圖像保持為對(duì)觀眾可見，且確保圖像在明亮得足以僅采用反射的背光提供顯示的圖像的環(huán)境照明條件中關(guān)斷背光。
因此，已知提供具有環(huán)境光傳感器(ALS)系統(tǒng)的移動(dòng)AMLCD設(shè)備，并根據(jù)ALS系統(tǒng)的輸出控制背光的功率水平。為了能夠檢測(cè)從高陽(yáng)光亮度至接近黑暗的整個(gè)范圍的環(huán)境光條件，例如ALS系統(tǒng)要求高的動(dòng)態(tài)范圍且這使整個(gè)寬的工作溫度范圍的低的亮度級(jí)(light levd)的檢測(cè)成為必要。典型地，需要ALS系統(tǒng)對(duì)入射亮度級(jí)的寬的范圍和移動(dòng)LCD設(shè)備的典型的工作溫度范圍是敏感的。
根據(jù)成本和機(jī)械觀點(diǎn)，有利的是將ALS系統(tǒng)的所有元件，包括光檢測(cè)元件本身統(tǒng)一集成在顯示器的TFT(薄膜晶體管)基板上。然而，對(duì)ALS系統(tǒng)來說，采用統(tǒng)一集成在顯示器基板的ALS系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)所需要的敏感度，特別在低的亮度級(jí)。這是由于在多晶硅工藝中制造的光檢測(cè)元件 的相對(duì)差的性能，該多晶硅工藝?yán)缡窃诘湫偷娘@示器FTF基板的制造中 使用的多晶硅工藝。
傳統(tǒng)的環(huán)境光傳感器系統(tǒng)可采用離散的光檢測(cè)元件或它們可采用集 成在顯示器基板上的光檢測(cè)元件。在離散的光檢測(cè)元件的情況中，確定用 于制造該元件的工藝技術(shù)的最佳特性，用于使設(shè)備的靈敏性最大化。然而，
在集成光檢測(cè)元件的情況中，例如在集成在CMOS集成電路(IC)上的情況
中的光檢測(cè)元件，該工藝技術(shù)是在使光檢測(cè)元件的靈敏性最大化和使外圍 電路的性能最大化之間的一種折中。
在具有統(tǒng)一集成的環(huán)境光傳感器的AMLCD的情況中，所采用的基礎(chǔ) 光檢測(cè)設(shè)備必須與使用在顯示器TFT基板的制造中的制造工藝相兼容。所 熟知的與標(biāo)準(zhǔn)TFT工藝兼容的光檢測(cè)設(shè)備是橫向薄膜多晶硅p-i-n二極管， 其結(jié)構(gòu)在圖1中的剖面圖中示出。
在圖1的薄膜p-i-n 二極管中，硅層3沉積在基板1上，在硅層和基 板1之間可存在一個(gè)或多個(gè)中間層，且圖1中示出這樣的一個(gè)中間層2。 硅層3沉積作為本征(如，沒有故意摻雜)層，且隨后硅層3的端部區(qū)域3a 進(jìn)行p-型摻雜，并且硅層3的其它端部區(qū)域3b進(jìn)行n-型摻雜。硅層的剩 余部分保留為本征硅的區(qū)域3c。柵絕緣層4和介質(zhì)層5生長(zhǎng)在襯底1和硅 層3上，且隨后通孔形成在柵絕緣層4和介質(zhì)層5中，以暴露硅層的p-型和n-型摻雜區(qū)域3a、 3b。最后，提供電極6、 7，以分別接觸硅層的p-型和n-型摻雜區(qū)域3a、 3b。
圖2是圖1中采用的p-i-n 二極管的示意圖。該器件的詳細(xì)操作較復(fù) 雜，但簡(jiǎn)言之，當(dāng)在整個(gè)電極6、 7上保持的偏壓V。是作為參照的負(fù)壓時(shí) (如圖2所示，其中V正極是施加至正極的負(fù)壓，且該器件的負(fù)極接地)，形 成光敏耗盡區(qū)A、 B， 一個(gè)位于p-型硅區(qū)域3a和本征區(qū)域3c之間的界面 處，且另一個(gè)位于n-型硅區(qū)域3b和本征區(qū)域3c之間的界面處。當(dāng)對(duì)該器 件進(jìn)行照明時(shí)， 一些入射光子通過在光電效應(yīng)吸收在半導(dǎo)體材料中，每個(gè) 光子被吸收而產(chǎn)生(至少)一個(gè)電子-空穴對(duì)。這樣的光生電子-空穴對(duì)，稱為 載流子，將在遍及該器件的所照明的體積內(nèi)產(chǎn)生。然而，通常僅在耗盡區(qū) 產(chǎn)生的，或者足夠接近耗盡區(qū)以能夠擴(kuò)散進(jìn)耗盡區(qū)的載流子能夠?qū)馍娏髌鹱饔?，且因此由該器件檢測(cè)到。在圖2中，僅來自耗盡區(qū)A的電子和 來自耗盡區(qū)B的空穴對(duì)光電流起作用，這是因?yàn)槲挥谠撈骷胁康奈春谋M 的本征區(qū)域3c中的載流子壽命較短，且因此在耗盡區(qū)電場(chǎng)的影響下掃進(jìn)
未耗盡的本征區(qū)域3c中的載流子將幾乎不可避免地重新結(jié)合。
在提供集成的ALS系統(tǒng)中的一個(gè)問題是在多晶硅TFT工藝中制造的 光電二極管具有比在體效應(yīng)技術(shù)(bulk technologies)(如CMOS)中制造的 光電二極管具有相對(duì)低的靈敏性，這是由于兩個(gè)主要原因
首先，光敏的半導(dǎo)體材料的體積(器件的耗盡區(qū))通常相對(duì)小。特別是 通常材料的薄膜層的深度設(shè)計(jì)為僅有數(shù)十個(gè)納米，且由此導(dǎo)致的結(jié)果是， 大部分照明發(fā)光通過器件而未被吸收，并且不能被檢測(cè)。
第二，由薄膜器件產(chǎn)生的暗電流趨向于比在體效應(yīng)器件中產(chǎn)生的高。 定義為在不存在照明的條件下的二極管泄露電流的暗電流同時(shí)高度依賴 于溫度和穿過器件的電場(chǎng)。因此，它還對(duì)施加至光電二極管正極端和負(fù)極 端的電勢(shì)差極其敏感。
因此，包括薄膜多晶硅光電二極管的環(huán)境光傳感器很可能呈現(xiàn)差的靈 敏性和低的動(dòng)態(tài)范圍。
EP1394859描述了在p-Si TFT工藝中的橫向光電二極管的制造，同時(shí) 采用用于抑制泄露電流的新穎工藝技術(shù)。然而，在電路結(jié)構(gòu)中的這種器件 結(jié)構(gòu)仍然以其中橫向電場(chǎng)相當(dāng)高的模式操作橫向光電二極管。因此，泄露 電流將仍然相對(duì)較高。因此，雖然所描述的工藝技術(shù)在降低泄露電流中可 能是有效的，但所描述的結(jié)構(gòu)不可能充分地增加在高動(dòng)態(tài)范圍ALS系統(tǒng) 中使用的光電二極管的靈敏性。
S.V. Karnik等在2001的"SPIE進(jìn)展"第4295巻中的"新穎的多個(gè)橫 向多晶硅p十-n-n+禾口 p十-p-n+二極管(Novel multiple lateral Polysilicon p+-n-n+ and p+-p-n+ Diodes)" (U0-U4頁(yè)，平板顯示技術(shù)和顯示方法II)中描述了 在前向和反向偏壓工作模式中串聯(lián)連接為電路元件的多晶硅薄膜二極管 的使用。這樣的結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)在于串聯(lián)連接結(jié)構(gòu)的反向偏壓模式中的泄 露電流降低了。然而，沒有提及將這些結(jié)構(gòu)用作光電二極管。
作為上述描述的光檢測(cè)元件，AMLCD中的實(shí)際環(huán)境光傳感器將還包
括(a) 用于控制光檢測(cè)元件并感應(yīng)光生電荷的偏壓電路；和
(b) 用于供給表示測(cè)量的環(huán)境光亮度的輸出信號(hào)(數(shù)字或模擬)的 輸出電路。
顯示器將進(jìn)一步包括(C)用于基于所測(cè)量的環(huán)境光亮度調(diào)整顯示器工 作的裝置，例如通過控制背光強(qiáng)度。
己知有多種合適類型的輸出電路(如分別用于模擬或數(shù)字輸出的放大 器或模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器)。類似地，基于所測(cè)量的環(huán)境光亮度動(dòng)態(tài)調(diào)整背光
強(qiáng)度的概念是已知的，例如在WO2005076253A1或由K. Maeda等在"SID 進(jìn)展2005"第XXXVI巻第1章第356頁(yè)中的"具有單片集成電路環(huán)境光 傳感器系統(tǒng)的系統(tǒng)LCD " ( " The System LCD with Monolithic Ambient-Light Sensor System" , Proceeding of SID 2005， Vol. XXXVI, Bookl,p356)中公開。
目前的ALS系統(tǒng)的局限性，特別是單塊集成系統(tǒng)的局限性不僅取決 于光檢測(cè)器件(如上所述)，還取決于用來控制它們的工作的偏壓電路的性 能水平。偏壓電路應(yīng)當(dāng)設(shè)置為穩(wěn)定地控制光電檢測(cè)器件的工作，使得理想 地，它使光電檢測(cè)器件的靈敏性最大化，并允許將被檢測(cè)的穩(wěn)定的光電檢 測(cè)器件電流不受光電檢測(cè)器件和/或偏壓電路的元件的制造中的工藝變化、 電干擾和溫度效應(yīng)的影響。
US2005/134715描述了一種包括光電二極管加上集成電路的有源像素 傳感器，采用該集成電路，反饋用來最佳地偏壓光電二極管，以最大化光 電二極管的靈敏性。這種方法的缺點(diǎn)是，為了用于調(diào)整整個(gè)光電二極管的 工作偏壓，需要中斷至光電二極管的照明供給。此外，所描述的電路實(shí)施 例難以以需要的精確度在多晶硅中復(fù)制。
Maeda等(上文)描述了一種結(jié)合有環(huán)境光傳感器的LCD,該環(huán)境光傳 感器包括橫向p-i-n光電二極管和直接集成在顯示器基板上的模擬處理電 路。在該文獻(xiàn)中公開的偏壓電路在整個(gè)光電二極管終端施加高電勢(shì)，因此 產(chǎn)生相當(dāng)多的光電二極管暗電流并限制了系統(tǒng)的靈敏性。
EP1128170和US2005/0205759都描述了一種方法，采用該方法，測(cè) 量通過光電二極管的電流，并將該電流與參考值進(jìn)行比較。隨后根據(jù)所測(cè) 量的電流是否高于或低于這個(gè)預(yù)定參考值，調(diào)整光電二極管偏壓電路。EP1128170描述了如何在相對(duì)寬的范圍內(nèi)能夠調(diào)整光電二極管，以處理入
射光亮度中的較大的變化。因此，通過選擇合適的參考值，能夠在它的最 佳靈敏區(qū)以低的入射光亮度操作光電二極管，但是對(duì)于較高的入射光亮
度，可改變偏置電壓，以避免輸出信號(hào)的飽和。US2005/0205759特別涉及 一種通信系統(tǒng)中的光學(xué)接收器，并描述如何能夠動(dòng)態(tài)控制光電二極管偏置 電壓，以優(yōu)化任何檢測(cè)性能參數(shù)的值。
類似地，US2003/0122533描述了一種基于產(chǎn)生的電流的測(cè)量控制施加 至整個(gè)光電二極管的偏壓的電路。在這個(gè)例子中，所描述的偏壓電路滿足 在大的范圍內(nèi)改變施加的偏壓的需要。所采用的用于確定所設(shè)定的偏壓的 方法與EP1128170和US2005/0205759類似，且基于光電二極管電流的檢 測(cè)和反饋機(jī)制的使用。
通常，上述偏壓方式將不能應(yīng)用于利用集成薄膜光電二極管的ALS。 此外，不清楚包括光電二極管電流的檢測(cè)的反饋機(jī)制是否足夠利于精確的 光電二極管偏壓，以滿足釆用集成薄膜光電二極管的ALS系統(tǒng)的靈敏性 要求。
GB1175517公開了一種由多個(gè)串聯(lián)連接的光敏體形成的光傳感器。在 工作中，偏置電壓施加至光傳感器的組合和負(fù)載電阻。
US5117099描述了一種配置，采用該配置，從電流域中減去來自檢測(cè) 和參考光電二極管的電流。這通過環(huán)形配置檢測(cè)和參考光電二極管來實(shí) 現(xiàn)，其中檢測(cè)光電二極管的正極連接至參考光電二極管的負(fù)極，并且檢測(cè) 光電二極管的負(fù)極連接至參考光電二極管的正極。這對(duì)環(huán)境溫度和漫射光 的變化提供了補(bǔ)償。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一方面提供一種操作光傳感器的方法，包括將偏置電壓 施加至包括串聯(lián)連接的n個(gè)光敏元件的光傳感器，其中n是大于1的整數(shù)； 及在光傳感器上施加的偏置電壓將光傳感器保持在或接近它具有最大信 噪比的點(diǎn)的時(shí)候，確定光傳感器中的電流。
術(shù)語(yǔ)"串聯(lián)連接"是指其中一個(gè)光敏元件的正極連接另外的光敏元件 的負(fù)極(在多于兩個(gè)光敏元件的情況中)，該光敏元件的正極依次連接其它的光敏元件的負(fù)極的任何配置。術(shù)語(yǔ)"串聯(lián)連接"是包括n個(gè)光敏元件限定
在單個(gè)半導(dǎo)體區(qū)域中的情況和n個(gè)光敏元件限定在分離的半導(dǎo)體區(qū)域中的情況。
與EP1128170、US2005/0205759和US2003/0122533的偏置方法相比， 不考慮亮度級(jí)，將該光傳感器簡(jiǎn)單地偏置在或接近它的最佳工作靈敏點(diǎn)。
使用多個(gè)串聯(lián)的光敏元件具有降低被要求為在它們的最佳靈敏區(qū)域 操作光敏元件的偏置精度的效果。當(dāng)用于光傳感器的偏壓電路整體集成在 顯示器基板上且包括例如在多晶硅工藝中制造的薄膜晶體管(TFTs)時(shí)，在 所要求的偏置精度中的所述降低是最重要的。典型地，這樣的TFT呈現(xiàn)出 導(dǎo)致不可預(yù)知的電路性能的大的工藝變化。通過采用多個(gè)串聯(lián)的光敏元 件，根據(jù)本發(fā)明的方法降低要求為在它們的最佳靈敏區(qū)域中操作光敏元件 的偏置精度，將偏置精度降低至可采用單塊集成偏壓電路的點(diǎn)。
該方法可包括在光傳感器上施加的偏置電壓等于或近似等于nxVbi時(shí) 確定光傳感器中的電流，其中Vbi是這樣的偏置電壓，即在黑暗中單個(gè)所 述光敏元件中的電流對(duì)于該偏置電壓改變符號(hào)。
該偏置電壓Vbi也是在黑暗中單個(gè)光敏元件中的電流為零的偏置電壓。
在光敏元件為光電二極管的情況中，偏置電壓Vbi為單個(gè)光敏元件的 "內(nèi)建電壓"。如同所熟知的，光電二極管的"內(nèi)建電壓"為必須施加到 整個(gè)設(shè)備終端上使暗電流為零的偏置電壓。對(duì)于所施加的內(nèi)建電壓的正的 偏壓，產(chǎn)生正向(正的)電流。對(duì)于內(nèi)建電壓的負(fù)的偏壓，二極管電流為反 向(負(fù)的電流)。光電二極管的"內(nèi)建"電壓為光電二極管中的暗電流具有 它的最小值時(shí)的偏置電壓。
在光敏元件為光電晶體管的情況中，偏壓將會(huì)施加至光電晶體管的源 極和漏極之間，使得對(duì)于黑暗中的器件，在源極和漏極之間沒有電流流過。 所施加的源極至漏極的偏壓的值可依賴于施加至光電晶體管的柵極的電 壓，其中在該值附近電流改變符號(hào)。
光傳感器的"暗電流"為當(dāng)不照射光傳感器時(shí)由光傳感器產(chǎn)生的電流， "暗電流"還稱為"泄露電流"。
施加偏置電壓的步驟可包括施加等于或近似等于nxVbi的恒定偏置電壓。
該方法可包括在光傳感器上施加的偏置電壓等于或近似等于零時(shí)確 定光傳感器中的電流。
施加偏置電壓的步驟包括施加等于或近似等于零的恒定偏置電壓。
串聯(lián)的光敏元件的數(shù)目n可以為IO或更多。它可以為20或更多。它 可以為50或更多。它可以為100或更多。
每個(gè)光敏元件可以為光電二極管，例如橫向光電二極管。可選擇的， 每個(gè)光敏元件可以為光電晶體管。
每個(gè)光敏元件可以為薄膜光敏元件。它可以為硅薄膜光敏元件。
光敏元件可以名義上相互等同。
該方法可包括在運(yùn)算放大器的第一輸入和運(yùn)算放大器的第二輸入之 間串聯(lián)連接n個(gè)光敏元件。通過設(shè)置合適的反饋(例如，單位增益或積分 器)，這是在整個(gè)光敏元件上提供零偏置電壓的一種便利的方法。
該方法可包括在運(yùn)算放大器的第一輸入和運(yùn)算放大器的輸出之間串 聯(lián)連接n個(gè)光敏元件。通過設(shè)置合適的反饋(例如，單位增益)，這是在整 個(gè)光敏元件上提供零偏置電壓的一種便利的方法。
本發(fā)明的第二方面提供一種操作顯示設(shè)備的方法，包括.，根據(jù)第一方 面的方法感測(cè)環(huán)境光；及根據(jù)來自所述光傳感器的輸出控制所述顯示設(shè)備 的背光強(qiáng)度。
本發(fā)明的第三方面提供一種光敏系統(tǒng)，包括包括串聯(lián)連接的n個(gè)光 敏元件的光傳感器，其中n是大于l的整數(shù)；用于向所述光傳感器施加偏 置電壓的偏置裝置；和確定裝置，該確定裝置用于在當(dāng)光傳感器上施加的 偏置電壓將光傳感器保持在或接近它具有最大信噪比的點(diǎn)的時(shí)候確定光 傳感器中的電流。
偏置裝置適合于不考慮光傳感器上的亮度級(jí)在所述光傳感器上保持 恒定偏置電壓。
確定裝置適合于在偏置裝置在光傳感器上施加等于或近似等于nxVbi 的偏置電壓時(shí)確定光傳感器中的電流，其中Vbi是這樣的偏置電壓，即在 黑暗中單個(gè)所述光敏元件中的電流對(duì)于該偏置電壓改變符號(hào)。
在使用中，偏置裝置可施加等于或近似等于nxVbl的恒定偏置電壓。確定裝置適合在所述偏置裝置在光傳感器上施加等于或近似等于零 的偏置電壓時(shí)確定光傳感器中的電流。
偏置裝置適合施加等于或近似等于零的恒定偏置電壓。
串聯(lián)的光敏元件的數(shù)目可以為IO或更多。它可以為20或更多。它可 以為50或更多。它可以為100或更多。
該系統(tǒng)進(jìn)一步可包括與第一光傳感器并聯(lián)的第二光傳感器，所述第二
光傳感器包括串聯(lián)連接的n個(gè)光敏元件，其中所述第二光傳感器以與所述 第一光傳感器相反的指向進(jìn)行連接。
在第一光傳感器的中間元件節(jié)點(diǎn)和第二光傳感器的對(duì)應(yīng)的中間元件 節(jié)點(diǎn)之間可設(shè)置至少一個(gè)交叉連接。
每個(gè)光敏元件可為光電二極管。它可為橫向光電二極管。
每個(gè)光敏元件可為光電晶體管。
每個(gè)光敏元件可為薄膜光敏元件。
每個(gè)光敏元件可為硅薄膜光敏元件。
光敏元件在名義上可相互等同。
n光敏元件可在運(yùn)算放大器的第一輸入和運(yùn)算放大器的第二輸入之間 串聯(lián)連接。
n光敏元件可在運(yùn)算放大器的第一輸入和運(yùn)算放大器的輸出之間串聯(lián) 連接。
偏置裝置和確定裝置可包括在單一電路中。
本發(fā)明的第四方面提供一種顯示系統(tǒng)，包括具有背光的顯示設(shè)備； 如第三方面的用于感測(cè)環(huán)境光強(qiáng)度的光敏系統(tǒng)；和用于根據(jù)所述光敏系統(tǒng) 的輸出控制所述顯示設(shè)備的背光強(qiáng)度的控制裝置。
將參照附圖描述本發(fā)明的較佳實(shí)施例。


圖1是橫向p-i-n光電二極管的剖視圖。 圖2示出圖1的橫向p-i-n光電二極管的操作。
圖3示出在黑暗中和當(dāng)照明時(shí)，圖1的橫向p-i-n光電二極管的典型 的電流-電壓(I-V)特性。圖4是圖3的I-V特性的局部放大圖。
圖5示出作為用于圖1的橫向p-i-n光電二極管的施加的偏壓的函數(shù)
的典型的光生電流與暗電流之比。
圖6(a)示出在黑暗中和當(dāng)照明時(shí)，100個(gè)串聯(lián)橫向光電二極管的典型 的電流-電壓特性。
圖6(b)示出在黑暗中和當(dāng)照明時(shí)，IO個(gè)串聯(lián)橫向光電二極管的典型的 電流-電壓特性。
圖7用示意圖示出耗盡區(qū)的結(jié)構(gòu)和關(guān)于串聯(lián)橫向光電二極管的所產(chǎn)生 的載流子的運(yùn)動(dòng)。
圖8(a)示出作為關(guān)于100個(gè)串聯(lián)橫向光電二極管的施加的偏壓的光生 電流與暗電流之比。
圖8(b)示出作為關(guān)于10個(gè)串聯(lián)橫向光電二極管的施加的偏壓的光生 電流與暗電流之比。
圖9示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的光敏系統(tǒng)。
圖IO示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的光敏系統(tǒng)。
圖11示出根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的光敏系統(tǒng)。
圖12示出根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的光敏系統(tǒng)。
圖13示出根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的光敏系統(tǒng)。
圖14示出圖13的光敏系統(tǒng)的工作原理。
圖15示出根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施例的光敏系統(tǒng)。
圖16示出根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施例的光敏系統(tǒng)。
圖17示出集成在AMLCD上的環(huán)境光傳感器系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的基本觀念是兩部分。首先，本發(fā)明包括測(cè)量光敏元件的光生 電流，同時(shí)將光敏元件保持在或靠近它已經(jīng)具有最大信噪比的點(diǎn)。第二， 串聯(lián)連接的多個(gè)光敏元件的結(jié)構(gòu)用來放寬偏壓要求，以便可采用單塊集成 偏壓電路。
將參照例子描述本發(fā)明，在這些例子中光敏元件是光電二極管。然而， 本發(fā)明不限于采用光電二極管，且可采用其它光敏元件，例如光電晶體管。
14在當(dāng)照射光電二極管時(shí)所產(chǎn)生的光電流與不照射光電二極管時(shí)的泄 露電流(或暗電流)之比最大化時(shí)，光電二極管的靈敏性最大化。圖3示出 光電二極管的典型的I-V特性，其中以虛線示出光電流，且以實(shí)線示出泄 露電流?？梢钥闯觯?dāng)施加的偏壓非常接近零伏特時(shí)，光電流與泄露電流 之比為最大。
圖4是光電二極管的典型的I-V特性的局部放大圖，其中施加的偏置 電壓接近零伏特。實(shí)線為泄露電流(如，在黑暗中的響應(yīng))，虛線為關(guān)于高 照明亮度的光電流，且方形線為關(guān)于低照明亮度的光電流。圖4中泄露電 流(實(shí)線)和關(guān)于高照明亮度的光電流(虛線)對(duì)應(yīng)于圖3中示出的泄露電流 和光電流。
可以看出，泄露電流的量級(jí)具有很窄的槽形，它的最小值在對(duì)應(yīng)于二 極管的內(nèi)建電壓Vbi的偏置電壓處。對(duì)于多晶硅薄膜光電二極管，Vbi具有 非常接近零伏特的值。對(duì)于等于Vbi的偏置電壓的泄露電流中的最小值對(duì) 應(yīng)于一點(diǎn)，在該點(diǎn)泄露電流的方向與黑暗中的器件一起改變。在光電流也 改變符號(hào)的地方光電流具有類似的最小值，但是關(guān)鍵是這對(duì)于不同的施加 偏壓，上述情形發(fā)生在，光電流最小值出現(xiàn)在偏置電壓等于表示為Vcx:的 開路電壓時(shí)。Voc的值依賴于光照亮度(如圖4中所示出的)和溫度。
圖5示出信噪比(SNR)，對(duì)于具有圖3示出的I-V特性的光電二極管， 該信躁比定義為光電流與泄露電流之比。圖5示出關(guān)于SNR的兩條曲線， 且這些是關(guān)于圖4的高和低照明亮度的。可以看出，如果光電二極管被偏 壓至接近內(nèi)建電壓Vbi，則信噪比很高，且在這個(gè)偏壓區(qū)域的工作，傳感 器的靈敏性被最大化。
而且，由于內(nèi)建電壓Vbi接近零，通過在零伏特偏壓光電二極管，可 獲得高的信噪比。因此，如果光電二極管在零伏特偏置，與在其它施加的 偏置電壓的情況相比，原則上有可能檢測(cè)相當(dāng)?shù)偷娜肷湔彰髁炼?。然而?實(shí)際上，用來產(chǎn)生0V偏置電壓的偏壓電路事實(shí)上將產(chǎn)生VA = 0 士 SV的非 零偏置電壓，且因此，為了充分利用SNR峰值，應(yīng)當(dāng)最小化SV。為了用 于關(guān)于這種特殊照明亮度的將被實(shí)現(xiàn)的60dB的動(dòng)態(tài)范圍，圖5的SNR中 的峰值的典型寬度要求5V < lmV。在完全單塊集成方案中，將光電二極 管偏壓至這個(gè)精度是相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，其中如上所述，在該單塊集成方案中偏壓電路根據(jù)示出源于實(shí)質(zhì)的工藝變化的性能變化的TFT進(jìn)行構(gòu)造。而 且，在寬的照明亮度范圍內(nèi)將光電二極管偏壓至必要的精度是必要的，且
圖5示出，當(dāng)照明亮度變低時(shí)，SNR曲線變的更窄。
因此，本發(fā)明采用串聯(lián)連接的多個(gè)光電二極管的結(jié)構(gòu)，以放寬關(guān)于偏 置電壓所要求的精度。
通過將圖4示出單個(gè)光電二極管的I-V特性與圖6示出串聯(lián)連接的100 個(gè)光電二極管的I-V特性進(jìn)行比較，可以看出配置串聯(lián)的多個(gè)光電二極管 的效果，其中所述100個(gè)光電二極管中每個(gè)單獨(dú)的光電二極管具有圖3或 4的I-V特性。圖6(a)示出在黑暗中對(duì)于高照明亮度和對(duì)于低照明亮度的 I-V特性。應(yīng)當(dāng)注意接下來的特征。首先，且最重要的是，接近偏置電壓 OV的泄露電流中的槽形被加寬。其次，在照明條件下的斷路電壓增加(至 圖6(a)中示出的最大偏置電壓之上)。第三，通過配置串聯(lián)的多個(gè)光電二極 管，不改變對(duì)于施加的]^:OV的偏置電壓的光電流。當(dāng)光電二極管陣列 在YQ = OV偏壓時(shí)，光電流與照明亮度成比例，但不依賴于串聯(lián)的光電二 極管的數(shù)目。
這些現(xiàn)象可參照?qǐng)D7進(jìn)行解釋，圖7是串聯(lián)的橫向p-i-n光電二極管 的工作的示意圖。每個(gè)光電二極管8包括由本征硅區(qū)域3c分開的p-型硅 區(qū)域3a和n-型硅區(qū)域3b。兩個(gè)耗盡區(qū)9、 10形成在每個(gè)光電二極管中， 一個(gè)位于p-型硅區(qū)域3a和本征區(qū)域3c之間的界面，且另一個(gè)位于n-型硅 區(qū)域3b和本征區(qū)域3c之間的界面，因此，與串聯(lián)連接的n個(gè)光電二極管 一起，形成總共2n個(gè)耗盡區(qū)，每個(gè)光電二極管具有兩個(gè)耗盡區(qū)。每個(gè)光 電二極管通過歐姆連接(ohmic connection) 11連接至相鄰的光電二極管。 (雖然上述描述涉及的"串聯(lián)光電二極管"，在實(shí)際中，通過合適地?fù)诫s硅 層區(qū)域，以定義p-型區(qū)域3a、 n-型區(qū)域3b和歐姆區(qū)域11，而形成光電二 極管8)。
當(dāng)照射該器件時(shí)，通過光電效應(yīng)， 一些入射光子在半導(dǎo)體材料中吸收， 每個(gè)吸收的光子產(chǎn)生(至少)一個(gè)電子-空穴對(duì)。然而，需要注意的關(guān)鍵點(diǎn)是， 僅對(duì)總電流的純粹的貢獻(xiàn)將來自圖7的左手端處的耗盡區(qū)A中產(chǎn)生的電 子，或者來自圖7的左手端處的耗盡區(qū)B中產(chǎn)生的空穴。所有其它的載流 子，無(wú)論是熱產(chǎn)生的或通過吸收光子產(chǎn)生的，在將耗盡區(qū)分開的本征區(qū)域中將具有很高的重新結(jié)合的可能性。因此，將多個(gè)光電二極管設(shè)置為串聯(lián) 并不增加當(dāng)照射串聯(lián)的光電二極管陣列時(shí)所產(chǎn)生的光電流，通過比較圖2 和圖7可以看出，兩個(gè)耗盡區(qū)在兩種情況中對(duì)光電流起作用。比較圖4和
圖6(a)，當(dāng)照射在0V偏壓的100個(gè)串聯(lián)的光電二極管時(shí)所產(chǎn)生的光電流 事實(shí)上近似等于當(dāng)照射在0V偏壓的一個(gè)光電二極管時(shí)所產(chǎn)生的光電流。
然而，與在單個(gè)光電二極管上施加偏置電壓VA相比，通過串聯(lián)連接n 個(gè)光電二極管，并施加偏置電壓VA，在遍及單獨(dú)的耗盡區(qū)上所下降的總 偏置電壓己經(jīng)以因數(shù)n降低。偏置電壓中這種降低還具有降低通過每個(gè)耗 盡區(qū)的電場(chǎng)的效果。結(jié)果，熱產(chǎn)生的載流子以相當(dāng)小的漂移速度被掃開， 并且因此在它們離開耗盡區(qū)之前具有相當(dāng)高的重新結(jié)合的可能性。因此， 對(duì)于n個(gè)串聯(lián)的光電二極管，內(nèi)建電壓Vbi周圍的泄露電流中的槽形被加 寬很多-即，對(duì)于接近OV的偏置電壓，n個(gè)串聯(lián)光電二極管的泄露電流 比一個(gè)光電二極管的泄露電流要低很多。這可通過將圖4中示出的一個(gè)光 電二極管的接近零的偏置電壓的泄露電流(實(shí)曲線)與圖6(a)中示出的接近
零偏壓的ioo個(gè)串聯(lián)光電二極管的泄露電流(實(shí)曲線)進(jìn)行比較而看出。
如上所述，光電流具有最小值，該最小值不以Vbi為中心，而以斷路 電壓Voc為中心。將n個(gè)光電二極管放置為串聯(lián)的效果是V(x:以因素n增 加，這是由于斷路電壓在遍及每個(gè)光電二極管上下降。
從圖4和6(a)可以看出，將100個(gè)光電二極管串聯(lián)連接增加了接近0V 的偏置電壓值的信噪比。而且，接近OV偏置電壓的泄露電流中最小值被 加寬。例如，在圖6(a)中，采用在接近0.015V范圍的偏置電壓，可獲得 10'15八或以下的泄露電流，光電流與泄露電流之比為104:1或以上。因此， 多個(gè)光電二極管串聯(lián)的結(jié)構(gòu)將用于偏壓電路的精度放寬至可實(shí)現(xiàn)的水平。 另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是光電流對(duì)施加的偏置電壓接近Ov的依賴程度降低。這具有 使所檢測(cè)的光電流在偏置電壓的精確值先前不知道的情況中更容易再生 的優(yōu)點(diǎn)。
這些優(yōu)點(diǎn)還可以在圖8(a)中看出，圖8(a)示出作為所施加的偏置電壓 的函數(shù)的對(duì)于IOO個(gè)串聯(lián)的光電二極管的光電流與泄露電流之比(如，信噪 比SNR)。圖8(a)示出對(duì)于圖6(a)的高照明亮度和低照明亮度的SNR?？?以看出，與圖5中示出的對(duì)于單個(gè)光電二極管的SNR曲線相比，峰值的
17量級(jí)己經(jīng)增加了，且峰值寬度己經(jīng)加寬了。
使用串聯(lián)或?qū)盈B的光電二極管是已知的。然而，在現(xiàn)有技術(shù)中，串聯(lián) 或?qū)盈B已經(jīng)用作增加所產(chǎn)生的光電流的量級(jí)的手段。然而，在本發(fā)明中，
n個(gè)光電二極管的串聯(lián)用來降低光傳感器必須偏壓以獲得最大信噪比的精
度，且還增加信噪比的最大值。
圖9是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的光敏系統(tǒng)的示意圖。本發(fā)明的光敏系
統(tǒng)包括包含串聯(lián)連接的n(n > l)個(gè)光敏元件的光傳感器、用于將偏置電壓 施加至光傳感器的偏置裝置，和用于在當(dāng)遍及光傳感器的施加的偏置電壓 將光傳感器保持在或接近它具有最大信噪比的點(diǎn)的時(shí)候確定光傳感器中 的電流的確定裝置。
在該實(shí)施例中，多個(gè)n個(gè)光電二極管8串聯(lián)連接，以形成串聯(lián)的光電 二極管陣列12。在該實(shí)施例中，用于將偏置電壓施加至光傳感器的偏置裝 置和用于確定光傳感器中電流的確定裝置包含在單一電路中(圖9的測(cè)量 電路13中)。光電二極管陣列12的輸出端連接至測(cè)量電路13。
測(cè)量電路13配置為測(cè)量在當(dāng)遍及光電二極管陣列12的施加的偏置電 壓將光電二極管陣列12保持在或接近它具有最大信噪比的點(diǎn)的時(shí)候流過 光電二極管陣列12的電流。在該實(shí)施例的優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，測(cè)量電路13配置 為當(dāng)遍及光電二極管陣列12的偏壓為VA = n Vbi時(shí)測(cè)量流過光電二極管陣 列12的電流，其中n是串聯(lián)連接的光電二極管的數(shù)目，且Vbi是單個(gè)光電 二極管的內(nèi)建電壓。
如上所述，與現(xiàn)有技術(shù)相比，該實(shí)施例使靈敏性大大提高。而且，不 僅電路13將光電二極管8保持在它們的最敏感區(qū)域，而且使用串聯(lián)光電 二極管陣列12還降低要求電路13將偏置電壓Va保持在它的所想要的値 的精度。因此，即使在存在來自與包括在多晶硅工藝中制造的TFT的電路 13相關(guān)的設(shè)計(jì)性能的重大偏離的情況下，高的動(dòng)態(tài)范圍輸出是可能的。
電路13可在遍及光電二極管陣列12上保持VA = n Vbj量級(jí)的恒定 偏置電壓。可替換地，電路13可在遍及光電二極管陣列13上產(chǎn)生隨時(shí)間 變化的偏置電壓，提供為，首先，在必要時(shí)，偏置電壓的值取值為VA = nVb,，且其次，電路13僅在當(dāng)偏置電壓的值等于或近似等于值VA =nVbi 的時(shí)候測(cè)量流過光電二極管陣列12的電流。光電二極管8可以是橫向光電二極管，例如p-i-n橫向光電二極管。 它們可以是薄膜光電二極管，例如硅薄膜光電二極管，使得光電二極管陣 列具有圖7中示出的通常結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選地，n個(gè)光敏元件名義上相互等同(即，在制造容許量的限制內(nèi)， 它們優(yōu)選是相互等同的)。
選擇光電二極管陣列12中的光電二極管8的數(shù)目n以提供所想要的 信噪比，和/或確保將信噪比保持在給定值之上的偏置電壓中所要求的容許 量SV比由電路13輸出的偏置電壓中可能的波動(dòng)大。為了應(yīng)用于將要用于 在移動(dòng)LCD設(shè)備中的ALS系統(tǒng)中，很可能的是陣列12將包含至少100 個(gè)光電二極管。然而，對(duì)于較少要求的場(chǎng)合，陣列12可包括比這個(gè)少的 光電二極管，例如，50個(gè)或更多個(gè)光電二極管，20個(gè)或更多個(gè)光電二極 管，IO個(gè)或更多個(gè)光電二極管。
在圖9的實(shí)施例中，用于將偏置電壓施加至光傳感器的偏置裝置和用 于確定光傳感器中的電流的確定裝置都包括在單一電路中，即在圖9的測(cè) 量電路13中，然而在原則上，用于偏置光電二極管陣列12的偏壓電路和 用于測(cè)量流過光電二極管陣列12的確定電路可提供為分離的電路。
在實(shí)際中，薄膜橫向多晶硅光電二極管呈現(xiàn)出可忽略的小的內(nèi)建電 壓。因此，在該實(shí)施例中和在所有后續(xù)實(shí)施中，可以釆用Vbi大致等于OV 的接近值。因此，優(yōu)選地，釆用提供0V或接近0V的恒定偏置電壓的電 路13，或者提供隨時(shí)間變化的偏置電壓的電路13，該電路13對(duì)流過光電 二極管陣列的電流的測(cè)量限制在偏置電壓大致等于0V的時(shí)候。例如,該電 路可提供隨時(shí)間正弦變化的偏置電壓。
應(yīng)當(dāng)注意到，在測(cè)量流過光電二極管陣列的電流的時(shí)候的偏置電壓可 偏離它的所要求的值，其中所偏離的量將依賴于光信號(hào)與暗信號(hào)(dark signal)的所要求的比，并依賴于依存于光信號(hào)與暗信號(hào)的比的電壓。在如 圖8(a)所示的依賴于光信號(hào)與暗信號(hào)的比的電壓的情形中，可以看出，對(duì) 于在高照明亮度的情況中在從-0.02V至+0.02V的近似范圍中的偏置電壓， 光信號(hào)與暗信號(hào)的比超過104，但是在低照明亮度的情況中在從-0.006V至 + 0.006V的近似范圍中的偏置電壓，光信號(hào)與暗信號(hào)的比超過104。如果 希望操作光敏系統(tǒng)，使得光信號(hào)與暗信號(hào)的比至少為104，對(duì)于圖8(a)的高照明亮度和圖8(b)的低照明亮度之間的任何照明亮度，作為例子，這將
要求偏置電壓必須保持在從-0.006V至+ 0.006V的范圍內(nèi)。
為了設(shè)計(jì)目的，被串聯(lián)放置的光敏元件的數(shù)目n的選擇將依賴于偏壓 電路的性能，該偏壓電路可與可利用的元件，例如與在光傳感器將被設(shè)置 在TFT基板上的情況中可利用的TFT元件一起實(shí)現(xiàn)。偏壓電路的精度越 高(如，輸出偏置電壓中變化5V越低)，可采用的n的值越低。這可從分別 對(duì)應(yīng)于圖6(a)和8(a)的并示出關(guān)于10個(gè)串聯(lián)光電二極管的I-V特性和SNR 的圖6(b)和8(b)中看出?？梢钥闯?，圖8(b)示出的關(guān)于10個(gè)串聯(lián)光電二極 管的SNR曲線比圖8(a)示出的關(guān)于10個(gè)串聯(lián)光電二極管的SNR曲線窄。 這意味著，對(duì)于給定精度的偏壓電路，采用10個(gè)串聯(lián)的光電二極管可導(dǎo) 致比采用IOO個(gè)串聯(lián)的光電二極管低的SNR。例如，雖然即使在低照明亮 度，能夠提供0士0.006V的輸出電壓的偏壓電路在圖8(a)中示出的IOO個(gè) 串聯(lián)光電二極管的情況中可提供至少104的SNR，如果使用在圖8(b)中示 出的10個(gè)串聯(lián)光電二極管的情況中，該偏壓電路在低照明亮度可提供低 至大約為101的SNR。
通常，在設(shè)計(jì)階段，需要考慮下述因素
1) 串聯(lián)放置的光敏元件的數(shù)目n-依賴于可以實(shí)現(xiàn)的偏壓的精度；
2) 二極管寬度(W)-這需要足夠大，使得可檢測(cè)在低的亮度級(jí)產(chǎn)生 的小的光電流；
3) 面積—其給出為nxW。面積越大，成本越大。
因此，對(duì)于被串聯(lián)放置的光敏元件的數(shù)目n的最佳值的選擇是依賴具 體的實(shí)際情形(situation-dependent)，且還依賴于設(shè)計(jì)規(guī)格。
圖IO示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的光敏系統(tǒng)。除了測(cè)量電路13配置 為在遍及光電二極管陣列12終端的偏壓等于或近似等于零的時(shí)候測(cè)量流 過光電二極管陣列12的電流I，該實(shí)施例大致類似于圖9的實(shí)施例。與圖 9的實(shí)施例中相同的特征描述將不再重復(fù)。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，測(cè)量電路13配置在測(cè)量流過光電二極管陣列 12的電流I，同時(shí)將等于或接近OV的恒定偏置電壓VA施加至光電二極管 陣列12的整個(gè)終端上。該實(shí)施例大致類似于第一實(shí)施例，具有施加到整 個(gè)光電二極管陣列12的偏置電壓VA為常數(shù)且明確地保持在VA = OV或Va^0V的要求。這在光電二極管的測(cè)量中提供了實(shí)現(xiàn)精度的實(shí)際方法。
該實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于，由光電二極管陣列12產(chǎn)生的電流作為入射在 光電二極管上的環(huán)境光亮度的指示總是有效的。相反，在隨時(shí)間變化的偏 置電壓施加至整個(gè)光電二極管陣列12的情況中，由光電二極管陣列12產(chǎn)
生的電流僅在偏置電壓VA的瞬時(shí)值滿足VA = n Vbi(或在假設(shè)Vbi可忽略 時(shí)VA = O)時(shí)提供對(duì)入射在光電二極管上的環(huán)境光亮度的指示。
在圖9和10的實(shí)施例中，測(cè)量電路的輸出可供給模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(未 示出)，以提供數(shù)字輸出。
圖11示出根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的光敏系統(tǒng)。與圖9的實(shí)施例中 相同的特征描述將不再重復(fù)。
在圖ll的實(shí)施例中，多個(gè)n個(gè)光電二極管8再次串聯(lián)連接，以形成 串聯(lián)的光電二極管陣列12。光電二極管陣列12的輸出端連接至測(cè)量電路 13。測(cè)量電路13配置為測(cè)量流過光電二極管陣列12的電流，同時(shí)在整個(gè) 光電二極管陣列12保持偏壓。測(cè)量電路13的輸出供給至模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (ADC)14，以提供數(shù)字輸出。在該實(shí)施例中，測(cè)量電路13包括配置為積分器的運(yùn)算放大器15，且 光電二極管陣列12連接整個(gè)放大器輸入端15a、 15b。由于放大器-ve端 15a虛接地，且放大器+ve端15b接地，施加至整個(gè)光電二極管陣列的電 壓V八為0V。
放大器(積分器)15的輸出端15c通過開關(guān)Sl連接至地。開關(guān)Sl由信 號(hào)RST控制。
電容器C^t連接至放大器15的輸出端15c和放大器-ve輸入端15a 之間。
該實(shí)施例如下操作。
在積分周期(integration period)的開始階段，信號(hào)RST接通幵關(guān)Sl， 且積分器15的輸出重設(shè)為0V。當(dāng)信號(hào)RST關(guān)斷開關(guān)Sl時(shí)，積分周期開
始。光電流合成在積分電容器qnt上。
ADC 14可用來將輸出電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。它可配置成采樣-和-保持或 連續(xù)時(shí)間工作。在采樣-和-保持配置中，在積分周期的末端進(jìn)行一次輸出 電壓釆樣，并將輸出電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。在連續(xù)時(shí)間工作中，ADC配置為將積分電壓與固定參考值進(jìn)行比較。積分電壓達(dá)到這個(gè)參考值所用的時(shí) 間由數(shù)字計(jì)數(shù)器進(jìn)行測(cè)量，該數(shù)字計(jì)數(shù)器在積分周期的末端提供ADC輸 出值。
該實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于，它提供了一種用于獲得大致等于光電二極管陣 列12的整個(gè)終端上零伏特的偏置電壓和在所選擇的積分周期內(nèi)測(cè)量所產(chǎn) 生的光電二極管平均電流的方法。另一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)在于，該實(shí)施例能夠
采用在標(biāo)準(zhǔn)TFT工藝中可利用的標(biāo)準(zhǔn)元件來實(shí)現(xiàn)。
圖12示出根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的光敏系統(tǒng)。與圖9的實(shí)施例中 相同的特征描述將不再重復(fù)。
在該實(shí)施例中，多個(gè)n個(gè)光電二極管8再次串聯(lián)連接，以形成串聯(lián)的 光電二極管陣列12。光電二極管陣列12的輸出端連接至測(cè)量電路13。測(cè) 量電路13設(shè)置為測(cè)量流過光電二極管陣列12的電流，同時(shí)在整個(gè)光電二 極管陣列12上保持偏壓。測(cè)量電路13的輸出供給至模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC) 14，以提供數(shù)字輸出。
測(cè)量電路進(jìn)一步包括配置作為單位增益放大器的運(yùn)算放大器15、連接 在放大器15的+ve輸入端15b和地之間的積分電容器Cint，和與積分電容 器qnt并聯(lián)的復(fù)位開關(guān)S1。光電二極管陣列連接在單位增益放大器15的 +ve輸入端15b和放大器15的輸出15c之間，使得施加到整個(gè)光電二極管 陣列12的電壓VA為0V。 ADC 14連接至單位增益放大器15的+ve輸入 端15b。
該實(shí)施例如下操作。
在積分周期(integration period)的開始階段，信號(hào)RST接通開關(guān)Sl， 且積分電容器Cn^的積分端復(fù)位為0V。
當(dāng)信號(hào)RST關(guān)斷開關(guān)S1時(shí)，積分周期開始。光電流合成在積分電容
器dNT上。當(dāng)整個(gè)積分電容器CwT的電壓增加時(shí)，單位增益放大器15將
整個(gè)光電二極管的電壓保持為VA = 0V。
ADC 14可用來將積分電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。它可配置成采樣-和-保持或 連續(xù)時(shí)間工作。在采樣-和-保持配置中，在積分周期的末端進(jìn)行一次輸出 電壓采樣，并將輸出電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。在連續(xù)時(shí)間工作中，ADC配置 為將積分電壓與固定參考值進(jìn)行比較。積分電壓達(dá)到這個(gè)參考值所用的時(shí)間由數(shù)字計(jì)數(shù)器進(jìn)行測(cè)量，該數(shù)字計(jì)數(shù)器在積分周期的末端提供ADC輸 出值。
該實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)與第三實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)類似，在于它滿足用于獲得大致 等于零伏特的偏置電壓的同時(shí)測(cè)量電流的要求，且在于它能夠采用在通常
的TFT工藝中實(shí)現(xiàn)。與第三實(shí)施例相比，另外的優(yōu)點(diǎn)在于，積分電容器的
可替換的位置可能有利于將整個(gè)光電二極管的偏壓保持在近似為ov，以
實(shí)現(xiàn)更高的精確度。
電路13不限于圖11和12示出的特定電路實(shí)施例。原則上，可采用 在將恒定偏置電壓保持為或接近0V的同時(shí)阻止遍及光電二極管陣列的電 荷注入的任何電路。
圖13示出根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的光敏系統(tǒng)。與圖9的實(shí)施例中 相同的特征描述將不再重復(fù)。
圖13的光敏系統(tǒng)具有包括串聯(lián)連接的n(其中n〉l)個(gè)光敏元件8的光 傳感器12，優(yōu)選地，n個(gè)光敏元件名義上相互等同。光敏系統(tǒng)還包括用于 將所需要的偏置電壓施加至光傳感器的電路和用于確定流進(jìn)光傳感器12 的電流的測(cè)量電路13。用于將所需要的偏置電壓施加至光傳感器的電路沒 有在圖13中明確示出，但是如上所述，它可與測(cè)量電路13分離或合并。
圖13的光敏系統(tǒng)包括與第一光傳感器12串聯(lián)連接的第二光傳感器 12，。第二光傳感器12，還包括相互串聯(lián)連接的n個(gè)光敏元件8'。優(yōu)選地， 第二光傳感器12，的光敏元件8'名義上相互等同，并與第一光傳感器12的 光敏元件8等同。例如，光敏元件8、 8'可以為光電二極管(如，橫向光電
二極管)或光電晶體管。
第二光傳感器12'以與第一光傳感器12相反的指向連接。g卩，測(cè)量電 路13的一個(gè)終端A連接至第一光傳感器12的末端光敏元件的負(fù)極，并連 接至第二光傳感器12'的末端光敏元件的正極，反之，測(cè)量電路的其它終 端B連接至第一光傳感器12的末端光敏元件的正極，并連接至第二光傳 感器12'的末端光敏元件的負(fù)極。
第二光傳感器12'的光敏元件8'設(shè)置有用于遮蔽環(huán)境光的遮光屏蔽 29。因此，第二光傳感器12'的光敏元件8'僅接收漫射光(stray light)(例 如來自顯示器的背光)，反之第一光傳感器12的光敏元件8因此接收環(huán)境光和漫射光。
圖14示出圖13的光敏系統(tǒng)的工作原理。如上所述，第一光傳感器12 (或"檢測(cè)"光傳感器)接收漫射光和環(huán)境光，而第二光傳感器12'(或"參考"
光傳感器)僅接收漫射光。這兩個(gè)光傳感器的配置允許溫度效應(yīng)和將被補(bǔ)償 的漫射光_假定這兩個(gè)光傳感器相互等同，溫度或漫射光中的任何變化 將等同地影響這兩個(gè)光傳感器，使得第一光傳感器12的輸出和第二光傳
感器12'的輸出之間的任何差異必須源于環(huán)境光(其僅入射在第一光傳感器 12上且不入射在第二光傳感器12'上)。
如圖13或14所示，以相反的指向連接光傳感器意味著，如果第一光 傳感器12的光敏元件被反向偏壓，則第二光傳感器12'的光敏元件被正向 偏壓(且反之亦然)。而且，如果光敏系統(tǒng)的偏壓電路設(shè)置為提供0V偏置 電壓，則第一光傳感器的光敏元件和第二光傳感器12'的光敏元件具有相 同的施加到其上的偏置電壓(且對(duì)于給定的亮度級(jí)和溫度應(yīng)當(dāng)提供相同的 輸出電流)。
因此，如圖13中示意性示出的那樣，圖13的光敏系統(tǒng)的測(cè)量電路13 設(shè)置為在當(dāng)施加的偏置電壓為0V或接近0V時(shí)測(cè)量來自兩個(gè)光傳感器 12,12'的輸出電流。如在圖14中的31處示意性示出的，所測(cè)量的輸出電
流在第一光傳感器12的輸出電流(Ito)和第二光傳感器12'的輸出電流0Uf)
之間是不同的，這種不同(假定這兩個(gè)光傳感器相互等同)應(yīng)當(dāng)依賴于漫射 光亮度或依賴于溫度。
因此，可以看出，通過在施加的偏置電壓為OV或接近OV時(shí)測(cè)量來 自兩個(gè)光傳感器12，12'的輸出電流，圖13的光敏系統(tǒng)提供兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先， 獲得對(duì)于光信號(hào)與暗信號(hào)之比的較高的值，給出良好的信噪比。其次，能 夠消除或至少降低溫度或漫射光的變化對(duì)所測(cè)量的輸出電流的影響。
圖15示出根據(jù)本發(fā)明的第六實(shí)施例的光敏系統(tǒng)。與圖13的實(shí)施例中 相同的特征描述將不再重復(fù)。
除了在施加的偏置電壓為OV或接近OV時(shí)測(cè)量輸出電流之外，圖15 的光敏電路的測(cè)量電路13適合向第一和第二光傳感器12、 12'提供偏置電 壓。例如，圖15的光敏電路的測(cè)量電路13可提供為零或接近零的恒定偏 置電壓，或它可設(shè)置為提供周期性通過OV的交替的偏置電壓，并設(shè)置為在偏置電壓為OV或接近OV時(shí)測(cè)量輸出電流。
圖16示出根據(jù)本發(fā)明的第七實(shí)施例的光敏系統(tǒng)。與圖15的實(shí)施例中
相同的特征描述將不再重復(fù)。
在圖16中的光敏系統(tǒng)，在第一光傳感器的中間元件節(jié)點(diǎn)和第二光傳
感器的對(duì)應(yīng)的中間元件節(jié)點(diǎn)之間提供至少一個(gè)交叉連接。概括而言，第一
光傳感器的中間元件節(jié)點(diǎn)是第一光傳感器12的第i個(gè)光敏元件8i和第一 光傳感器12的第(i+l)個(gè)光敏元件之間的節(jié)點(diǎn)，且第二光傳感器的對(duì)應(yīng)的 中間元件節(jié)點(diǎn)是第二光傳感器12'的第i個(gè)光敏元件8i和第二光傳感器12' 的第(i+l)個(gè)光敏元件之間的節(jié)點(diǎn)。
如圖16所示，在特定的優(yōu)選實(shí)施例中，在第一光傳感器的每個(gè)中間 元件節(jié)點(diǎn)和第二光傳感器的對(duì)應(yīng)的中間元件節(jié)點(diǎn)之間提供交叉連接。因 此，在圖16的光敏系統(tǒng)中，第一光傳感器12的第一光敏元件8,的正極 連接至第二光傳感器12，的第一光敏元件sr的負(fù)極。而且，通過測(cè)量電路 13的輸出A，第一光傳感器12的第一光敏元件8|的負(fù)極連接至第二光傳 感器12'的第一光敏元件8,'的正極。
第一光傳感器12的第i個(gè)光敏元件8j的負(fù)極連接至第二光傳感器12' 的第i個(gè)光敏元件8i'的正極，并且還連接至第二光傳感器12'的第(i-l)個(gè) 光敏元件的負(fù)極。第一光傳感器12的第i個(gè)光敏元件8i的正極連接至第 二光傳感器12，的第i個(gè)光敏元件8i，的負(fù)極，并且還連接至第二光傳感器 12，的第(i+l)個(gè)光敏元件的正極。
第一光傳感器12的第n個(gè)光敏元件8n的負(fù)極連接至第二光傳感器12' 的第n個(gè)光敏元件8 的正極。并且，通過測(cè)量電路13的輸出B，第一光 傳感器12的第n個(gè)光敏元件8n的正極連接至第二光傳感器12'的第n個(gè)光 敏元件V的負(fù)極。
在該實(shí)施例中，第一光傳感器12的光敏元件8和第二光傳感器的光 敏元件8'之間的附加連接可便于在光敏元件不是嚴(yán)格地相互匹配的情況 中實(shí)現(xiàn)更好的性能。
基于所感測(cè)的環(huán)境光強(qiáng)度，本發(fā)明的光敏系統(tǒng)可用來控制顯示設(shè)備的 照明亮度。例如，在顯示設(shè)備具有背光的情況中，通常顯示設(shè)備將設(shè)置有 用于控制背光強(qiáng)度的控制裝置。本發(fā)明的光敏系統(tǒng)可提供用來感測(cè)環(huán)境光
25強(qiáng)度，表示所感測(cè)的環(huán)境光強(qiáng)度的輸出被輸入到背光控制裝置，其中該控 制裝置根據(jù)來自該光敏系統(tǒng)的輸出控制顯示設(shè)備的背光強(qiáng)度。
圖17示出具有環(huán)境光傳感器系統(tǒng)的AMLCD設(shè)備，其中環(huán)境光傳感
器系統(tǒng)可根據(jù)本發(fā)明的方法進(jìn)行操作，和/或可以是本發(fā)明的光敏系統(tǒng)。典
型地，AMLCD設(shè)備本身可用在多個(gè)產(chǎn)品中，如移動(dòng)電話或PDA。 如圖17中所示，AMLCD設(shè)備16由下述元件組成 ■顯示器像素矩陣17(在該顯示像素矩陣17顯示圖像)；
■顯示器柵極驅(qū)動(dòng)器電路18;
顯示器源極驅(qū)動(dòng)器電路19;
顯示器控制裝置20;
■背光單元21;
■背光控制裝置22;
-環(huán)境光傳感器(ALS)系統(tǒng)23;禾口 ■ ALS控制裝置24。
顯示器像素矩陣17、顯示器柵極驅(qū)動(dòng)器18、顯示器源極驅(qū)動(dòng)器19和 ALS系統(tǒng)23設(shè)置在例如可為TFT基板的顯示器基板28上。
ALS系統(tǒng)23由薄膜光電二極管25、相關(guān)的測(cè)量電路26和模擬-數(shù)字 轉(zhuǎn)換器(ADC)27組成。所有的這些元件可集成在TFT基板28上。如上所 述，薄膜光電二極管可串聯(lián)連接，且測(cè)量電路26可如上述參照?qǐng)D9至16 中的任一個(gè)進(jìn)行操作，測(cè)量電路26例如可以是圖11或12中示出的測(cè)量 電路。
AMLCD16的操作如下
通過在顯示器控制裝置20的控制下由柵極和源極驅(qū)動(dòng)電路18、 19驅(qū) 動(dòng)，顯示像素矩陣17操作為以正常方式顯示圖像。用于顯示的光源是背 光21，該背光21典型地是由背光控制裝置22驅(qū)動(dòng)和控制的白色LED陣 列。
ALS系統(tǒng)23檢測(cè)入射到光電二極管25的環(huán)境光亮度，并以周期性的 時(shí)間間隔向ALS控制裝置24提供數(shù)字化輸出。
ALS控制裝置24與背光控制裝置22進(jìn)行通信，該背光控制裝置22 根據(jù)來自ALS系統(tǒng)23的輸出依次調(diào)制背光21的強(qiáng)度，因此，這種配置
26能夠根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)度調(diào)整所顯示的圖像的亮度。
該實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于，由于在許多環(huán)境光條件下能夠降低背光強(qiáng)度或 完全關(guān)斷背光，根據(jù)環(huán)境光條件控制圖像亮度既有利于改善用戶體驗(yàn)，又 有利于降低的整體系統(tǒng)功率消耗。
另一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)在于，環(huán)境光傳感器電路(包括光電二極管25、測(cè)量
電路26和ADC 27)能夠全部整體集成到顯示器TFT基板28上。這對(duì)于 AMLCD產(chǎn)品制造的尺寸、成本和便利具有相當(dāng)大的好處。
當(dāng)光電二極管的寬度增加時(shí)，由薄膜硅光電二極管產(chǎn)生的光電流的量 級(jí)增加。因此，在采用薄膜硅光電二極管的實(shí)施例中，光電二極管的寬度 是大光電流需求和最小化ALS系統(tǒng)尺寸的需求之間的折中。
原則上，ALS23可不集成在顯示器基板28上，但可設(shè)置在分離的基 板上。
已經(jīng)參照薄膜硅光電二極管描述了本發(fā)明的各實(shí)施例。然而，從串聯(lián) 的光敏元件的物理性能來說，希望在陣列中采用串聯(lián)光敏元件并用零伏特 或接近零伏特的偏置電壓偏置陣列以便于改善信噪比的原則可應(yīng)用于其 它光敏元件系統(tǒng)。本發(fā)明適合應(yīng)用于靈敏性由光生信號(hào)與暗信號(hào)之比限制 的系統(tǒng)，并適合應(yīng)用于在光電流改變符號(hào)處的光傳感器的偏置電壓值附近 獲得信噪比中的峰值的系統(tǒng)。
而且，希望采用在除硅外的其它半導(dǎo)體系統(tǒng)中制造的薄膜光敏元件， 本發(fā)明是可應(yīng)用的。
權(quán)利要求
1. 一種操作光傳感器的方法，包括將偏置電壓施加至包括串聯(lián)連接的n個(gè)光敏元件的光傳感器，其中n是大于1的整數(shù)；及在光傳感器上施加的偏置電壓將光傳感器保持在或接近于該光傳感器具有最大信噪比的點(diǎn)的時(shí)候，確定光傳感器中的電流。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括不考慮光傳感器上的亮 度級(jí)，在光傳感器上保持恒定偏置電壓的另一步驟。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，進(jìn)一步包括在光傳感器上施加的偏置電壓等于或近似等于nxVbi時(shí)，確定光傳感器中的電流，其中Vbi是這樣的偏置電壓，即在黑暗中單個(gè)光敏元件中的電流對(duì)于該偏置電壓改 變符號(hào)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中施加所述偏置電壓的步驟包括-施加等于或近似等于nxVbi的恒定偏置電壓。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，包括在光傳感器上施加的偏置電壓等于或近似等于零時(shí)確定光傳感器中的電流。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中施加該偏置電壓的步驟包括施加等于或近似等于零的恒定偏置電壓。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3、 4、 5或6所述的方法，其中n2 10。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3、 4、 5或6所述的方法，其中n》20。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3、 4、 5或6所述的方法，其中n250。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3、 4、 5或6所述的方法，其中n》100。
11. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中每個(gè)光敏元件為 光電二極管。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中每個(gè)光敏元件為橫向光電二極管。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1至10中的任一項(xiàng)所述的方法，其中每個(gè)光敏元件 為光電晶體管。
14. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中每個(gè)光敏元件為薄膜光敏元件。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中每個(gè)光敏元件為硅薄膜光敏元件。
16. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述光敏元件名 義上相互等同。
17. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括在運(yùn)算放大器的第一輸入和運(yùn)算放大器的第二輸入之間串聯(lián)連接所述n個(gè)光敏元件。
18. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括在運(yùn)算 放大器的第一輸入和運(yùn)算放大器的輸出之間串聯(lián)連接所述n個(gè)光敏元件。
19. 一種操作顯示設(shè)備的方法，包括如下步驟根據(jù)權(quán)利要求1至18 中任一項(xiàng)限定的方法感測(cè)環(huán)境光強(qiáng)度；及根據(jù)來自所述光傳感器的輸出來 控制所述顯示設(shè)備的背光強(qiáng)度。
20. —種光敏系統(tǒng)，包括包括串聯(lián)連接的n個(gè)光敏元件的光傳感器， 其中n是大于1的整數(shù)；用于向所述光傳感器施加偏置電壓的偏置裝置；和確定裝置，該確定裝置用于在當(dāng)光傳感器上施加的偏置電壓將光傳感器 保持在或接近于該光傳感器具有最大信噪比的點(diǎn)的時(shí)候確定光傳感器中的電流。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的光敏系統(tǒng)，其中，所述偏置裝置適于不考慮光傳感器上的亮度級(jí)，在光傳感器上保持恒定偏置電壓。
22. 根據(jù)權(quán)利要求20或21所述的光敏系統(tǒng)，其中，所述確定裝置適 于當(dāng)偏置裝置在光傳感器上施加等于或近似等于nxVbi的偏置電壓時(shí)， 確定光傳感器中的電流，其中Vbi是這樣的偏置電壓，即在黑暗中單個(gè)光 敏元件中的電流對(duì)于該偏置電壓改變符號(hào)。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的光敏系統(tǒng)，當(dāng)從屬于權(quán)利要求21 時(shí)，其中，在使用中所述偏置裝置施加等于或近似等于nxVbi的恒定偏置 電壓。
24. 根據(jù)權(quán)利要求20、 21、 22或23所述的光敏系統(tǒng)，其中所述確定 裝置適于當(dāng)所述偏置裝置在光傳感器上施加等于或近似等于零的偏置電 壓時(shí)，確定光傳感器中的電流。
25. 根據(jù)權(quán)利要求21或24所述的光敏系統(tǒng)，當(dāng)直接或間接從屬于權(quán) 利要求21時(shí)，其中，所述偏置裝置適于施加等于或近似等于零的恒定偏 置電壓。
26. 根據(jù)權(quán)利要求20至25中的任一項(xiàng)所述的光敏系統(tǒng)，其中n210。
27. 根據(jù)權(quán)利要求20至25中的任一項(xiàng)所述的光敏系統(tǒng)，其中n220。
28. 根據(jù)權(quán)利要求20至25中的任一項(xiàng)所述的光敏系統(tǒng)，其中n250。
29. 根據(jù)權(quán)利要求20至25中的任一項(xiàng)所述的光敏系統(tǒng)，其中n 2 100。
30. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的光敏系統(tǒng)，或當(dāng)從屬于權(quán)利要求24時(shí)根 據(jù)權(quán)利要求25至29中的任一項(xiàng)所述的光敏系統(tǒng)，進(jìn)一步包括與第一光傳 感器并聯(lián)的第二光傳感器，所述第二光傳感器包括串聯(lián)連接的n個(gè)光敏元 件，其中所述第二光傳感器以與所述第一光傳感器相反的指向進(jìn)行連接。
31. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的光敏系統(tǒng)，其中在第一光傳感器的中間元 件節(jié)點(diǎn)和第二光傳感器的對(duì)應(yīng)的中間元件節(jié)點(diǎn)之間設(shè)置至少一個(gè)交叉連 接。
32. 根據(jù)權(quán)利要求20至31中的任一項(xiàng)所述的光敏系統(tǒng)，其中每個(gè)光 敏元件為光電二極管。
33. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的光敏系統(tǒng)，其中每個(gè)光敏元件為橫向光電 二極管。
34. 根據(jù)權(quán)利要求20至31中的任一項(xiàng)所述的光敏系統(tǒng)，其中每個(gè)光 敏元件為光電晶體管。
35. 根據(jù)權(quán)利要求20至34中的任一項(xiàng)所述的光敏系統(tǒng)，其中每個(gè)光 敏元件為薄膜光敏元件。
36. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的光敏系統(tǒng)，其中每個(gè)光敏元件為硅薄膜光 敏元件。
37. 根據(jù)權(quán)利要求20至36中的任一項(xiàng)所述的光敏系統(tǒng)，其中所述光 敏元件名義上相互等同。
38. 根據(jù)權(quán)利要求20至37中的任一項(xiàng)所述的光敏系統(tǒng)，其中，在運(yùn) 算放大器的第一輸入和運(yùn)算放大器的第二輸入之間串聯(lián)連接所述n個(gè)光敏 元件。
39. 根據(jù)權(quán)利要求20至37中的任一項(xiàng)所述的光敏系統(tǒng)，其中，在運(yùn)算放大器的第一輸入和運(yùn)算放大器的輸出之間串聯(lián)連接所述n個(gè)光敏元件。
40. 根據(jù)權(quán)利要求20至39中的任一項(xiàng)所述的光敏系統(tǒng)，其中所述偏 置裝置和所述確定裝置包括在單一電路中。
41. 一種顯示系統(tǒng)，包括具有背光的顯示設(shè)備；如權(quán)利要求20至 40中的任一項(xiàng)所限定的用于感測(cè)環(huán)境光強(qiáng)度的光敏系統(tǒng)；和用于根據(jù)所述 光敏系統(tǒng)的輸出來控制所述顯示設(shè)備的背光強(qiáng)度的控制裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種操作光傳感器的方法，包括將偏置電壓施加至包括串聯(lián)連接的n(n＞1)個(gè)光敏元件(8)的光傳感器(12)；及在光傳感器上施加的偏置電壓將光傳感器保持在或接近它具有最大信噪比的點(diǎn)的時(shí)候，確定光傳感器(12)中的電流。這可通過在光傳感器上施加的偏置電壓等于或近似等于n×V_bi時(shí)確定光傳感器中的電流，其中V_bi是這樣的偏置電壓，即在黑暗中單個(gè)所述光敏元件(8)中的電流對(duì)于該偏置電壓改變符號(hào)。在光敏元件(8)為光電二極管的實(shí)施例中，偏置電壓V_bi為光電二極管的“內(nèi)建”電壓。當(dāng)照射n個(gè)串聯(lián)的光電二極管時(shí)所產(chǎn)生的光電流近似等于當(dāng)照射一個(gè)光電二極管時(shí)所產(chǎn)生的光電流。然而，對(duì)于n個(gè)串聯(lián)的光電二極管的泄漏電流(如，暗電流)比對(duì)于一個(gè)光電二極管的泄漏電流低很多。因此，信噪比明顯地增加。
文檔編號(hào)H01L31/10GK101523619SQ20078003721
公開日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2007年10月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月4日
發(fā)明者克里斯托弗·詹姆斯·布朗, 本杰明·詹姆斯·哈德維恩 申請(qǐng)人:夏普株式會(huì)社