一种图像传感器的驱动方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种图像传感器的驱动方法。

背景技术：

平板图像传感器被广泛应用于医疗辐射成像、工业探伤、安检等领域。平板图像传感器，特别是大尺寸图像传感器，面积达数十厘米，数百万至千万像素，通常采用非晶硅技术。

平板图像传感器一般包括：基板1(可以是玻璃或塑料等材料)，所有的传感器都放置于所述基板1上；像素单元2，所述像素单元2以二维阵列排布在所述基板1上，每个像素单元2包括一个光电二极管PD(PhotoDiode)和一个薄膜晶体管TFT(Thin Film Transistor)；用于控制各像素2的扫描线3、数据线4；以及用于提供所述光电二极管PD电压的公共电极5。在所述公共电极5施加一负电压(比如-8V)将所述光电二极管PD置于反偏状态，所述数据线4接0V或其他高于所述公共电极5的电位，所述扫描线3接低电压或高电压以便将所述薄膜晶体管TFT关闭或打开。为了形成大面积的二维的图像传器，通常所述薄膜晶体管TFT及所述光电二极管PD的有源半导体层都采用非晶硅材料。非晶硅材料可以大面积成膜，可以达到数十厘米或更大，同时，非晶硅材料对可见光非常灵敏。

所述平板图像传感器的工作原理如下：

第一步：复位，所述扫描线3施加正向脉冲(通常15V左右)将所述薄膜晶体管TFT打开，使像素电极Vp与所述数据线4的电位相等，然后所述薄膜晶体管TFT恢复到关闭状态。

第二步：曝光，当光照后，所述光电二极管PD将入射光转换为光电荷，在所述光电二极管PD两端电压的电场作用下，电荷向所述像素电极移动，并存储到自身的电容当中，所述像素电极由于负电荷的累积而降低，直到降至与所述公共电极5同等电位。

第三步：读出，所述扫描线3施加正向脉冲(通常15V左右)将所述薄膜晶体管TFT打开，所述光电二极管PD产生的光电荷通过所述数据线4流到外部电路，完成一行数据读取，所述薄膜晶体管TFT关闭。

如图2所示，所述平板图像传感器采用的是逐行读出。即处于同一行的所有所述薄膜晶体管TFT的栅极全部电性相连，处于同一列的所有所述薄膜晶体管TFT的漏极电性相连。当曝光结束后，将第1行的所有像素同时打开，经各自的数据线读出，关闭本行，再进行下第2行的读出，以此类推，完成所有像素的读出。

但是该当前技术存在以下问题：在曝光时，随着曝光剂量的增加所述像素电极的电压逐 渐降低，直到与所述公共电极5同等的电位。这时所述光电二极管PD的两端电压为0，如果继续增加曝光剂量，所述光电二极管PD产生的光电荷由于没有电场将其移动到像素电极而被光电二极管非晶硅本身的缺陷及悬挂键捕获，此时被捕获的电荷为非稳定状态，会在曝光结束后缓慢释放，如果在进行下一次曝光时，前一次曝光中被非晶硅捕获的电荷释放而被读出，将形成残影(Ghost)，影响成像效果。

为了解决残影问题，可以将光电二极管两端的电压加大，使得光电二极管可以接受更大的曝光剂量，但这也同时增加了光电二极管和TFT的漏电流，在读取第n行时，其他行的薄膜晶体管由于公共电压的增加而引起薄膜晶体管漏电流增加，这部分漏电流将与第n行一起被读出，从而形成串扰，对图像造成不良影响。也可以降低TFT关闭时的Vg以降低漏电流，但这将引起低剂量曝光时的漏电流增加。

为了解决残影问题，如图3所示，专利US 8624196B2提出，除了正常开关用的薄膜晶体管T1，在像素中增加一个薄膜晶体管T2，当曝光剂量增加到一定量后，薄膜晶体管T2将多余的光电荷释放掉，使光电二极管两端始终保持有一个压差，即两端始终有电场存在，这个电场将光电荷迅速拉到像素电极，而不被非晶硅的缺陷捕获，从而达到降低或消除残影的目的。但该方案增加一个薄膜晶体管，其栅极漏极与外部电路连接的直线将占用大量空间，在像素空间有限的情况下，只能减小光电二极管的面积，这将使得像素的有效感光面积减小，即填充因子降低，降低像素的感光率，而需要更大的曝光剂量。这在医疗应用中，必将增加受检者(即病人)所接受的辐射剂量，同时电路的复杂度大大增加。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种图像传感器的驱动方法，用于解决现有技术中图像传感器的残影和串扰带来的图像质量差等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种图像传感器的驱动方法，所述图像传感器包括以二维阵列形式排布的像素单元，所述像素单元包括开关元件以及光电二极管，所述光电二极管的阴极连接于所述开关元件的源极作为像素电极，位于同一行的所述开关元件的栅极连接同一扫描线，位于同一列的所述开关元件的漏极连接同一数据线，各光电二极管的阳极连接公共电极，所述驱动方法包括：

复位阶段：打开所述开关元件，将所述像素单元中的残余信号释放掉后，关闭所述开关元件；

等待曝光阶段：将所述开关元件的栅极电位设置为设定电位，若所述开关元件为N型器 件，则所述设定电位高于所述公共电极的电位；若所述开关元件为P型器件，则所述设定电位低于所述公共电极的电位；此时所述开关元件仍处于关闭状态；

曝光阶段：X射线照射到所述像素单元上，所述光电二极管将入射的光子转换为光电子，电荷被存储于所述光电二极管的电容中，所述像素电极的电位被钳制于所述设定电位之内，所述光电二极管的两端始终存在压差；

读出阶段：曝光结束后，关闭各开关元件，逐行打开所述开关元件，存储在所述光电二极管的电容中的电荷被逐行读出。

优选地，在所述复位阶段，逐行打开所述开关元件，对所述像素单元进行复位，不进行复位的像素单元中的各开关元件的漏电流处于最低状态。

优选地，在所述读出阶段，不进行读出的像素单元中的各开关元件的漏电流处于最低状态。

更优选地，若所述开关元件为N型底栅结构非晶硅薄膜晶体管，则在所述开关元件的漏电流处于最低状态时，所述开关元件的栅极电位介于0V与-40V之间。

优选地，若所述开关元件为N型器件，则在所述曝光阶段，电子在电场作用下向所述像素电极移动，所述像素电极的电位逐渐降低；当所述像素电极的电位高于所述设定电位时，所述开关元件处于关闭状态，电荷被存储于所述光电二极管的电容中；当所述像素电极的电位低于所述设定电位时，所述开关元件打开，所述光电子从所述开关元件漏出，所述像素电极的电位稳定于所述设定电位。

优选地，若所述开关元件为P型器件，则在所述曝光阶段，空穴在电场作用下向所述像素电极移动，所述像素电极的电位逐渐升高；当所述像素电极的电位低于所述设定电位时，所述开关元件处于关闭状态，电荷被存储于所述光电二极管的电容中；当所述像素电极的电位高于所述设定电位时，所述开关元件打开，所述光电子从所述开关元件漏出，所述像素电极的电位稳定于所述设定电位。

优选地，X射线发射装置与扫描模块同步，根据所述X射线发生装置的工作状态来触发所述扫描模块改变所述开关元件的栅极电位。

优选地，通过自动曝光检测模块对曝光的上升和结束进行检测，并将同步信号发送到扫描模块以触发所述扫描模块改变所述开关元件的栅极电压。

如上所述，本发明的图像传感器的驱动方法，具有以下有益效果：

1、本发明的图像传感器的驱动方法采用3阶电压驱动方式。在复位，曝光，读出三个工作状态时使描线的电位使得复位时薄膜晶体管漏电流达到最低的状态，曝光时光电二极管多 余的电荷将被泄露掉而使得光电二极管两端始终保持一个压差，由于该压差的存在，非晶硅缺陷极少或者无法捕获电荷，而从物理上将残影现象降到最低。

2、本发明的图像传感器的驱动方法根据薄膜晶体管的I-V曲线精准的设定不同电极的电压，使薄膜晶体管的漏电流在图像读出时达到最低的状态，将图像串扰降到最低。

附图说明

图1显示为现有技术中的一种平板图像传感器的结构示意图。

图2显示为现有技术中的平板图像传感器的工作原理示意图。

图3显示为现有技术中的另一种平板图像传感器的结构示意图。

图4显示为N型非晶硅薄膜晶体管源漏电流Ids与栅源电压Vgs的关系示意图。

图5显示为本发明的图像传感器的驱动方法流程示意图。

图6显示为本发明的图像传感器的驱动方法的工作原理示意图。

元件标号说明

1 基板

2 像素单元

3 扫描线

4 数据线

5 公共电极

Vg 薄膜晶体管的栅极电位

Vp 像素电极的电位

Vd 薄膜晶体管的源极电位

Vcom 公共电极的电位

Vgs 薄膜晶体管的栅源电压

Vbias 光电二极管的反偏电压

S1～S4 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精 神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

如图1所示为平板探测器的结构示意图，所述平板探测器包括以二维阵列形式排布的像素单元2，在本实施例中，所述像素单元2构成2行2列的阵列。所述像素单元2包括开关元件以及光电二极管PD，在本实施例中，所述开关元件为薄膜晶体管TFT。所述光电二极管PD的阴极连接于所述薄膜晶体管TFT的源极，作为像素电极；位于同一行的所述薄膜晶体管TFT的栅极连接同一扫描线3，位于同一列的所述薄膜晶体管TFT的漏极连接同一数据线4，各光电二极管PD的阳极连接公共电极5。

如图4所示为常规的N型非晶硅薄膜晶体管源漏电流Ids与栅源电压Vgs的关系(图中所示为一特定漏源电压Vds下的曲线)。由图4可知：当Vgs>Vth时，薄膜晶体管处于打开状态；当Vgs<Vth时，薄膜晶体管处于关闭状态。具体地，随着Vgs从Vth慢慢增高，薄膜晶体管慢慢导通，其漏电流逐渐增加，当薄膜晶体管完全打开后，其漏电流达到最高值，并且不再发生变化；随着Vgs从Vth慢慢减小，薄膜晶体管慢慢关断，其漏电流逐渐减小，由于薄膜晶体管的栅绝缘层内部的电荷、缺陷及界面态的存在，通常需要更低的Vgs才能将薄膜晶体管完全关闭，即图4中的第二电压V2(通常-3V以下)，当Vgs继续降低到图4中的第一电压V1时，薄膜晶体管的漏电流Ids又会增加。因此，Vgs在第一电压V1与第二电压V2之间时薄膜晶体管的漏电流处于最低状态。所述第一电压V1及所述第二电压V2根据薄膜晶体管的材料和结构做具体的设定，薄膜晶体管的材料、结构不同，所述第一电压V1及所述第二电压V2的取值存在较大的差别，一般情况下，常规N型底栅结构非晶硅薄膜晶体管的漏电流处于最低状态时，其栅源电压Vgs介于0V与-40V之间，更具体地，所述第一电压V1取-8～-11V，所述第二电压V2取-3～-5V。所述第一电压V1和所述第二电压V2只是一个定性的范围，并不是一个定量的范围，具体的取值由膜晶体管的不同材料和不同结构决定。

如图5～图6所示，基于平板探测器的结构及薄膜晶体管源漏电流与栅源电压的关系，本发明提供一种上述平板探测器的驱动方法，所述驱动方法包括以下步骤：

步骤S1，复位阶段：升高所述开关元件的栅极电位，使所述开关元件打开，将所述像素单元中的残余信号释放掉后，降低所述开关元件的栅极电位，关闭所述开关元件。

具体地，在本实施例中，所述开关元件为N型薄膜晶体管TFT。初始状态，扫描模块通过各扫描线3设置所述薄膜晶体管TFT的栅极电位Vg，使各行各列所有薄膜晶体管TFT均处于关闭状态。如图6所示，在本实施例中，设定所述薄膜晶体管TFT的栅极电位Vg为-11V，此时各薄膜晶体管TFT处于关闭状态，且此时的薄膜晶体管TFT的漏电流处于最低状态，在实际应用中，根据膜晶体管的材料和结构得到的源漏电流Ids与栅源电压Vgs的关系曲线进行设定，不以本实施例为限。此时，所述薄膜晶体管TFT关闭，且漏电流处于最低状态。

具体地，如图6所示，然后升高所述薄膜晶体管TFT的栅极电位Vg，在本实施例中，所述薄膜晶体管TFT的栅极电位Vg设定为15V，所述薄膜晶体管TFT打开，所述像素电极中的残余电荷被释放掉。所述像素电极的电位Vp慢慢升高，且与所述薄膜晶体管TFT的源极电位Vd一样，待复位结束后，所述薄膜晶体管TFT的栅极电位Vg恢复至关断时候的电位。在本实施例中，所述数据线4的一端连接所述薄膜晶体管TFT的源极，另一端连接电荷放大器，与图3中的放大电路OP一致，所述薄膜晶体管TFT的源极电位Vd被稳定在参考电压Vref，在本实施例中，所述参考电压Vref设定为0V。因此，复位后所述薄膜晶体管TFT的栅极电位Vg为0V。而随着所述像素电极的电位Vp的上升，所述薄膜晶体管TFT的栅源电压Vgs慢慢降低，直至所述像素电极的电位Vp稳定在0V，所述薄膜晶体管TFT的栅源电压Vgs稳定在-11V；随着所述像素电极的电位Vp的上升，所述光电二极管PD的反偏电压Vbias(＝Vcom-Vp)慢慢降低，在本实施例中，所述公共电极5的电位Vcom为-8V，因此在所述像素电极的电位Vp稳定在0V时，所述光电二极管PD的反偏电压Vbias稳定在-8V。在本实施例中，采用逐行复位的方式对阵列中的各像素单元2进行复位，进行复位的所述像素单元2中的薄膜晶体管TFT处于开启状态；不进行复位的所述像素单元2中的薄膜晶体管TFT处于关闭状态，在本实施例中，漏电流处于最低的阶段。

步骤S2，等待曝光阶段：将所述开关元件的栅极电位升高至设定电位，所述设定电位高于所述公共电极的电位，此时所述开关元件仍处于关闭状态。

具体地，所述扫描模块通过扫描线3将各薄膜晶体管TFT的栅极电压Vg升高至所述设定电位Vg1，所述设定电位Vg1高于所述公共电极5的电位Vcom。如图6所示，在本实施例中，设定所述设定电位Vg1为-6V，所述公共电极5的电位Vcom为-8V，此时，所述光电二极管PD的反偏电压Vbias＝Vcom-Vp＝-8V；，此时，所述像素电极的电位Vp仍为0V，所述光电二极管PD的反偏电压Vbias仍为-8V，均不改变，而所述及所述不变，所述薄膜晶体管TFT的栅源电压Vgs升高至-6V，所述薄膜晶体管TFT仍处于关闭状态。

步骤S3，曝光阶段：X射线照射到所述像素单元上，所述光电二极管将入射的光子转换 为光电子，所述光电子在电场作用下向所述像素电极移动，所述像素电极的电位逐渐降低；若所述像素电极的电位高于所述设定电位，所述开关元件处于关闭状态，电荷被存储于所述光电二极管的电容中；若所述像素电极的电位小于所述设定电位，所述开关元件打开，所述光电子从所述开关元件漏出，直至所述像素电极的电位高于所述设定电位，所述开关元件关闭。

具体地，开始曝光，X射线照射到所述像素单元2上，所述光电二极管PD将光子转换为光电子，所述光电子在所述光电二极管PD的电场作用下向所述像素电极移动，并存储在所述光电二极管PD的电容中。如图6所示，所述像素电极的电位Vp逐渐降低，在本实施例中，所述像素电极的电位Vp从0V开始下降。如图6所示，在本实施例中，当所述像素电极的电位Vp高于所述设定电位Vg1，即Vp>-6V时，所述薄膜晶体管TFT的栅源电压Vgs逐渐上升，但是仍然小于0V，因此所述薄膜晶体管TFT处于关闭状态，电荷全部被存储于所述光电二极管PD的电容中，此时，所述光电二极管PD的反偏电压Vbias慢慢升高，但是仍小于0V。如图6所示，若曝光剂量继续增加，所述像素电极的电位Vp继续降低，当所述像素电极的电位Vp小于所述设定电位Vg1，即Vp<-6V时，所述薄膜晶体管TFT的栅源电压Vgs高于0，所述薄膜晶体管TFT打开，所述光电子经由所述薄膜晶体管TFT及所述数据线4漏出所述像素单元2，所述像素电极的电位Vp逐渐升高，直至所述像素电极的电位Vp高于所述设定电位Vg1，所述薄膜晶体管TFT关闭，所述像素电极的电位Vp不再变化。因此，所述像素电极的电位Vp被限定在高于所述设定电位Vg1的范围内，即Vp>Vg1，即使曝光剂量增加，所述像素电极的电位Vp永远被钳制在所述设定电位Vg1，由于前期设置Vg1>Vcom，所述光电二极管PD两端始终存在一个压差，在本实施例中，所述光电二极管PD两端压差即为所述光电二极管PD的反偏电压Vbias＝Vcom-Vp＝-2V(所述反偏电压至多为-2V)，Vp<Vbias<Vcom-Vg，因为Vg>Vcom，所以始终存在一个电场将电子及时拉到所述像素电极，所述光电二极管PD的非晶硅缺陷无法捕获电荷，所以可以大大降低残影现象。

读出阶段：曝光结束后，降低所述开关元件的栅极电位，使各开关元件处于关闭状态，逐行升高所述开关元件的栅极电位，所述开关元件被打开，存储在所述光电二极管的电容中的电荷被逐行读出。

具体地，待曝光结束后，所述扫描模块通过扫描线3将所述薄膜晶体管TFT的栅极电位Vg降低，此时，各薄膜晶体管TFT处于关闭状态。在本实施例中，设定所述第二设定电压Vg为-11V使所述薄膜晶体管TFT处于关闭状态，且此时的薄膜晶体管TFT的漏电流处于最低状态，在实际应用中，根据膜晶体管的材料和结构得到的源漏电流Ids与栅源电压Vgs的 关系曲线进行设定，不以本实施例为限。此时，所述薄膜晶体管TFT的栅源电压Vgs下降至-5V。然后逐行升高所述薄膜晶体管TFT的栅极电位Vg使各薄膜晶体管TFT处于打开状态，如图6所示，在本实施例中，所述薄膜晶体管TFT的栅极电位Vg升高至15V。存储于所述光电二极管PD电容中的电荷通过数据线4被输出并读取，所述像素电极的电位Vp逐渐升高，直至与所述参考电压Vref一致，即为0V时，读取结束。读取过程中，所述薄膜晶体管TFT的栅源电压Vgs逐渐下降，读取结束后所述薄膜晶体管TFT的栅源电压Vgs为-11V；所述光电二极管PD的反偏电压Vbias逐渐下降，读取结束后所述光电二极管PD的反偏电压Vbias为-8V。进行读出的所述像素单元2中的薄膜晶体管TFT处于开启状态；不进行读出的所述像素单元2中的薄膜晶体管TFT处于关闭状态，且各薄膜晶体管TFT的漏电流处于最低状态，因此，读出一行像素信号的时候，通过调节栅极电压使其他行的薄膜晶体管的漏电流处于最低状态，对当前读出的像素信号的串扰大大减小。

如图6所示，在本实施例中，曝光的开始和结束时需要有信息使扫描模块同步，该同步方法可以使用X射线发生装置与扫描模握手同步；也可使用自动曝光检测模块，检测曝光的上升和结束后将同步信号发送到扫描模块以触发扫描模块改变所述薄膜晶体管TFT的栅极电位Vg。

实施例二

实施例一以N型薄膜晶体管为例，该方法同样适用于P型开关元件。在本实施例中，以P型薄膜晶体管为例，其原理与实施例基本一致，不同之处在于，将N型薄膜晶体管替换为P型薄膜晶体管。

所述P型薄膜晶体管的导通特性如下：当Vgs<Vth时，薄膜晶体管处于打开状态；当Vgs>Vth时，薄膜晶体管处于关闭状态。在本实施例中，所述公共电极5的电位Vcom为正电位，以8V为例。

复位阶段：通过降低所述开关元件的栅极电压来开启所述开关元件以进行复位操作。

等待曝光阶段：将所述开关元件的栅极电位降低至设定电位，此时所述开关元件仍处于关闭状态，所述设定电位低于所述公共电极的电位，以6V为例。

曝光阶段：X射线照射到所述像素单元上，所述光电二极管将入射的光子转换为光电子，空穴在电场作用下向所述像素电极移动，所述像素电极的电位逐渐升高；当所述像素电极的电位低于所述设定电位时，所述开关元件处于关闭状态，电荷被存储于所述光电二极管的电容中；当所述像素电极的电位高于所述设定电位时，所述开关元件打开，所述光电子从所述开关元件漏出，所述像素电极的电位稳定于所述设定电位。

读出阶段：曝光结束后，升高所述开关元件的栅极电压以关闭各开关元件，降低所述开关元件的栅极电压以逐行打开所述开关元件，存储在所述光电二极管的电容中的电荷被逐行读出。

在实际应用中，根据膜晶体管的材料和结构得到的源漏电流Ids与栅源电压Vgs的关系曲线对P型薄膜晶体管的栅极电压进行设定，不以本实施例为限。

本发明的图像传感器的驱动方法，具有以下有益效果：

1、本发明的图像传感器的驱动方法采用3阶电压驱动方式。在复位，曝光，读出三个工作状态时使描线的电位使得复位时薄膜晶体管漏电流达到最低的状态，曝光时光电二极管多余的电荷将被泄露掉而使得光电二极管两端始终保持一个压差，由于该压差的存在，非晶硅缺陷极少或者无法捕获电荷，而从物理上将残影现象降到最低。

2、本发明的图像传感器的驱动方法根据薄膜晶体管的I-V曲线精准的设定不同电极的电压，使薄膜晶体管的漏电流在图像读出时达到最低的状态，将图像串扰降到最低。

综上所述，本发明提供一种图像传感器的驱动方法，所述图像传感器包括以二维阵列形式排布的像素单元，所述像素单元包括开关元件以及光电二极管，所述光电二极管的阴极连接于所述开关元件的源极作为像素电极，位于同一行的所述开关元件的栅极连接同一扫描线，位于同一列的所述开关元件的漏极连接同一数据线，各光电二极管的阳极连接公共电极，所述驱动方法包括：复位阶段：打开所述开关元件，将所述像素单元中的残余信号释放掉后，关闭所述开关元件；等待曝光阶段：将所述开关元件的栅极电位设置为设定电位，此时所述开关元件仍处于关闭状态；曝光阶段：X射线照射到所述像素单元上，所述光电二极管将入射的光子转换为光电子，电荷被存储于所述光电二极管的电容中，所述像素电极的电位被钳制于所述设定电位之内，所述光电二极管的两端始终存在压差；读出阶段：曝光结束后，关闭各开关元件，逐行打开所述开关元件，存储在所述光电二极管的电容中的电荷被逐行读出。本发明的图像传感器的驱动方法在曝光时，对薄膜晶体管栅线电压的电位进行设定，当曝光使像素电极达到薄膜晶体管栅极电压时，薄膜晶体管自动打开，将多余电荷泄露掉，光电二极管两端始终保持有一定压差，缺陷不会捕获电子，残影问题可以得到根本上的解决。此外，曝光结束时，扫描线电压降低到薄膜晶体管漏电流最低的相应电位，在读出某一行时，通过调节栅极电压使其他行的薄膜晶体管的漏电流处于最低状态，消除了串扰问题，提高了图像质量。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡 所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。