专利名称：：具有宽广作业范围的cmos光侦测器的制作方法
技术领域：
：本发明是一种用来产生文件或物件的电子影像的侦测器，尤其是指那些应用于文件扫描器、影印机、传真机与照相机等的光侦测器，例如接触式影像感应器(contactimagesensors)。一般而言，由矽晶圆(siliconwafers)制成的光侦测器大约分为两种，一为pn接合(junction)光侦测器，另一为电荷耦合装置(Charge-coupleddevice，简称CCD)光侦测器。Pn接合光侦测器依结构可区分为光二极管及光晶体管，如图1A与图2A所示。其中光晶体管依结构是由一光二极管与一种双极晶体管所组成，该双极晶体管(bipolartransistor)具有电荷放大作用(chargeamplification)，该光二极管连接于该双极晶体管的基极(baseterminal)，使光电荷得以在该双极晶体管放大。将一种金属氧化半导体(简称MOS)所制成的晶体管开关与图1A及图2A中的pn接合光侦测器结合，则成为图3A与图4A所示电路，这使一种电荷积成式(charge-integrationmode)光侦测元件得以用积体电路(IC)方式制成，并且使光反应灵敏度得以改进。这也使得大型的影像感测阵列(imagesesingarray)的组装或聚集(integration)得以实现。使用光晶体管做为光感测器(或称光侦测器)，以利用光电流放大原理来提高光灵敏度(photosensitivity)的方法是由WilliamSchockleyetal等人首度于题目为「pn接合晶体管」的论文中提到。在一篇由RudyDyek与Geneweckler等人所提，而以「用于影像感测的矽光侦测器积成阵列(IntegratedArrayofSiliconPhotodetectorsforImagesensing)」为题的论文中，曾描述到一种电荷积成式光晶体管光侦测器用于影像摄取装置(imagecapturedevice)的情形。该论文刊载于西元1968年4月ED-15集的IEEE电子装置杂志(IEEETransactionsonElectronDevices)。在一篇由E.E.Anderson与Weng-lyang等人所发表，题为「用于形小体轻的整页扫描器的新颖接触式感测器模组(ANovelContactImageSensorModuleforCompactandLightFullPageScannerApplications)」的论文中，介绍了一种利用电荷积成式光晶体管做为光侦测器元件的接触式影像感测器模组。该论文刊载于SPIEVol.1901Cameras，Scanners，andImageAcquisitionsystems(1993)，第173-181页。而在SPIEVol.2172第167-174页另刊载了一篇由Tadahiko与Hamaguchi等人所发表的题为「使用彩色光晶体管制成的接触式彩色像感测器(Contact-typecolorImageSensorUsingColorPhototransistors)」的论文。其中介绍了一种采用彩色晶体管所制成的接触式彩色影像感测器。目前广泛用于黑自传真机的接触式影像感测器模组，如图4A所示的电荷积成光晶体管做为感测元件。这是由于在信号读出时该光晶体管会自行重置(self-esetting)，使得电路可以简化。然而这种接触式影像感测器(CIS)所组成的扫描器的影像复制(reproduction)的动态范围(dynamicrange)颇为受限，而且不适用于灰阶影像扫描(graylevelimagescanning)。这种动态范围受限的情形起因于，该CIS作业于非线性光反应转移功能区(non-linearphotoresponsetransferfuntionregion)，以及由于光晶体管的不完全而且非线性自我重置(self-resetting)过程所导致的影像延迟作用(after-imageeffect或imagelag)。有一种改进过的电荷积成式光晶体管(如图5所示)，在电荷积成过程之前，经由一预充电(Precharge)开关，向npn晶体管的基极注入某种直流偏置电荷(DC-biasingcharge)，可以消除常用电荷积成光晶体管(如图4A所示)无可避免的非线性与影像延迟(imagelag)问题，并且可以获致同样等级的CCD影像感测器的性能或效果。然而这种用于基极偏置(base-biased)光晶体管的制程技术并不能完全与现有铸造业标准CMOS制程相容。另一问题是这种系统所需用于该光晶体管作业的附属电路颇为繁杂而且耗电。另一种利用电压弃置(voltage-pickoff)电荷积成光二极管做为感测元件所制成的影像感测器(如图6A所示)，自1970年起就已被应用于影像感测。这感测元件包括一可重置反偏光二极管，连接于一个MOS晶体管的高组抗栅极，该MOS晶体管是做为源极追随放大器(source-followeramplifier)。这种源极追随器架构能提供低输出阻抗，便于驱动外部的信号读取电路。用于电荷积成光二极管以及电荷积成光晶体管的作业原理与电路架构是非常不同的，而所用的缓冲晶体管(bufferedtransistors)尤其相异甚大。在电压弃置(voltage-pickoff)光侦测器的作业中(operation)，其光二极管与源极追随晶体管的闸极，先被重置于一DC(直流)电压位准(通常是一电源汇流排的电压)，使该源极追随晶体管在暗阶(darklevel)条件下作业于动态区的上端；当照射光增加时，该源极追随晶体管向截止区(cut-offregion)靠近。但电荷积成光晶体管的作业恰相反。在电荷积成光晶体管的作业中，光二极管与npn晶体管的基极是在暗阶(darklevel)条件下被重置于接近截止区(cut-offregion)的电压；当照射光增加时，射极追随晶体管(emitter-followertransistor)的作业趋向动态区的上端。这两者间的差异可由图5A与图6A的电路图，以及图5C与图6C的光反应转移特性曲线(photoresponsetransfercharacteristice)看出。这两种光侦测器都是在同一类型的基板(substrate)上以CMOS技术制成。但电压弃置型(voltage-packoff)光侦测器中的重置开关与信号读出(readout)开关等的体效应(bodyeffect)会使电路设计与制程技术复杂化，也会使得那些使用电压弃置型电荷积成式光二极管做为感测无件的影像感测装置的动态范围(dynamicrange)与信号读出率减少。用CMOS技术，在晶片(chip)上将光二极管面阵列(area-array)影像感测器与信号处理电路组合的作业，现在正被极力发展以用于新兴的多媒体业。与此有关的课题介绍包含于1996与1997年的IEEEISSCC会议记载。本发明所用主要光侦测器一称为闸极偏压(gate-biased)电荷积成光二极管(为便于了解，敬请参阅图7A所示电路图)，其作业原理相似于基极偏压电荷积成光晶体管(为便于了解，敬请先参照图5A)。本发明的目的在于光侦测器是来自于，以一种可调整临界电压(threshold-voltage)的n型MOS晶体管，取代基极偏压电荷积成光晶体管的双极npn晶体管。这种新创作的光侦测器具有线性光反应转移特性曲线，几乎能涵盖全部作业区(为便于了解，敬请先参照图7C)。闸极偏压电荷积成光二极管的转移函数(transferfunction)是在接有一电容负荷源极追随电路(capacitor-loadedsourcefollowercircuit)的情形下，由一种称为SPICE模拟的作业计算得出(为便于了解，其信号作业时序图，请先参考图7B所示)。兹说明闸极偏压式电荷积成光二极管的作业原理如下在光侦测器的每一电荷积成周期之前，光二极管的电荷积成节点(node)，也就是n型MOS晶体管的闸极，经由一个MOS开关被充电到一直流偏置(DC-bias)电压，该直流偏置电压(或称偏压电压)稍微高于该n型MOS晶体管M1的临界(threshold)电压。这预充电(precharging)步骤将这光侦测器初始化到动态区(activeregion)，以便于使输出信号线性地追随(linearlyfollow)光二极管的光信号(photosignal)。同时这预充电步骤也将前一信号读出周期所留下的光信号电荷重置(reset)，并且消除影像延迟(afterimage)作用。如果该n型MOS晶体管的临界电压，经由临界电压植入步骤(implantingstep)，被设定为负值，则DC偏置电压可以连接于地线(groundbus)，而且这光侦测器会自动作业于动态区。如此，DC偏置电路就可以不必要。本发明光侦测器可以采CMOS技术制程来生产，而不需要任何其他处理步骤，因为临界电压植入是一标准制程处理步骤。这光侦测器元件包含一个光二极管与三个主要的MOS晶体管。就n型基板晶圆CMOS制程处理技术而言，该光二极管是一种将P+扩散层(diffusionlayer)形成于n型基板的P+n接合(juncion)二极管；P+扩散层就是该光二极管的阳极(anodenode)，而n型基板就是阴极。P+阳极连接于n型MOS晶体管的闸极(为便于了解，请先参照图7A，图中M1是n型MOS晶体管)。晶体管M1是做为光二极管P+-n的P+极电压的电压缓冲(voltage-buffering)或电压放大之用。如图7中的晶体管M2与M3是做为这光侦测器的启动一断路开关之用，两者都可以是n型或P型，或是一种传送闸(transmissiongate)MOS晶体管。该传送闸MOS晶体管是将n型与P型晶体管并列连接在一起，但如果n型MOS晶体管是用于根据n型基板CMOS技术制成的晶体管M2与M3，则可以得致较佳的电路设计与光侦测器性能。晶体管M2是做为该光侦测器的信号读出开关，而晶体管M3是做为插入直流偏置电荷于晶体管M1的闸极的预充电关系，同时也用以在每一光电荷积成(photocharge-integration)周期的初始，将光二极管重置。为便于了解，请先参阅图7B，图中的晶体管M2与M3导通之间的时段，就是光侦测器的电荷积成期。若使用CMOS制程或处理技术的P型基板晶圆，则本发明光侦测器就包含一n+P光二极管与三个P型MOS晶体管。为便于了解，请再度参照图7A，图7A中的n型MOS晶体管具有可调临界电压，是用以取代图5A中的基极偏压式电荷积成用光晶体管的双极npn晶体管。该n型MOS晶体管的可调临界电压，可以用晶体管临界电压植入步骤来实现。这种光侦测器因此而能提供涵盖全部作业区(supersetoperatingregion)的函数(transferfunction)。为便于了解，请再先参阅图7C。对照于本发明光侦测器，图5A中的基极偏压型电荷积成光晶体管的转移函数受限于一小范围。这是因为其射极一基极接合(junction)的导通电压的可调范围受限(大约在0.6-0.9V间)。另一对照于本发明光侦测器者，是图6中的电压弃置(voltage-pickoff)式电荷积成光二极管的转移函数，仅占有本发明光侦测器的转移函数区域(呈面状，也就是呈super-set)的一小部份(为便于了解，请再参阅图6C)。由此可知，本发明所提出的电荷积成型光侦测器能够在影像感测装置的最佳化设计方面，带来较大的弹性。归纳之，本发明光侦测器相较于基极偏压光晶体管，有下列优点1、源自于光二极管内光产生(photogenerated)电荷信号的非破坏性读出感测(non-destructivereadoutsensing)的较高灵敏度与较佳线性。在基极偏压型光晶体管为主要电路元件的光侦测中，仅有一部份光产生电荷信号会在信号读出时，被放电成为基极一射极电流。2、本发明光侦测器的偏置电压(voltagebias)的电压参考电路(也就是voltagereferencecircuit。为便于了解，请再先参照图8)，可以被组装在晶片上，以便设定光侦测器作业于动态区。这电压参考电路也可以补偿随温度变化的输出直流偏移变动(DCoffsetvariations)。与此对比，隔离的双极晶体管就无法以CMOS光晶体管技术装于晶片上，也就无法提供温度补偿用的电压参考电路。3、本发明光侦测器(例如图7A所示)的简化与最佳化设计，可以采用一种空虚型(depletion-type)晶体管做为缓冲(buffered)n型晶体管(如图7A的M1)，其具有负晶体管临界电压(nativetransistorthresholdvoltage)。由于图7A中的晶体管M1的临界电压为负值，本发明光侦测器在图7A中的Vbias连到地线时，可以作业于线性动态区，此可由图7C的转移函数曲线看出。这样设计的光侦测器(例如图9所示)，就不需要电压参考电路。而由这种光侦测器所组成的影像感测装置就只会消耗少量电力，也只会需要微量的矽材，使成本较低。4、其制程技术完全相容于低成本、高性能的标准数字CMOS处理技术。另一方面，本发明所用闸极偏压式电荷积成型光二极管，相对于常用电压弃置(voltagepickoff)式电荷积成型光二极管而言，有如下优点1、其具有面区域(super-set)的光反应转移特性曲线(为便于了解，请再参阅图7C)，而采电压弃置式光二极管的光侦测器却只能作业于面的一小部份。2、其具有宽广的动态区，所以能作业于较大的范围。这可以从其直流偏压(Vbias，也称为直流偏置电压)接地时的转移特性曲线看出。本发明光侦测器有一从原点(origin)分布到最大允许输出值的动态区曲线(当图9听晶体管M1的临界电压稍微低于0电位时)。3、其由于作业原理的特殊，可以提供较快速的影像信号读出率。兹说明如下在暗阶(darklevel)时，于作业起点，本发明所用源极追随器(例如图7A的M1)的直流偏压被设定于动态区的下端，也就是晶体管M1较地电位低一临界电压之处。当读出开关(图7A中的M2)导通时，在重置到地电位(resetting-to-ground)的电容器负载接点(node)处的电压，会被源极追随晶体管M1充电到光二极管的暗阶电压之下，离该暗阶电压的差值大约等于晶体管M1的临界电压之处，也就是几乎等于地电位的值。所以将一小电压值充到该电容器负载所需充电时间常数极短。但在电压弃置型光侦测器的作业中，源极追随晶体管(图6A中的M1)被直流偏压到动态区上端，使晶体管M1必须充一大电压升值到电容器负载，才能追随光二极管的暗阶信号。由此可看出，电压弃置式光侦测器需要较长充电时间常数，因而就会有较慢的信号读出率。4、其可以提供最佳化电路架构，使信号读出开关(图7A中的晶体管M2)与预充电开关(图7A的晶体管M3)等的体效应(bodyeffect)最小。在标准CMOS制程上的晶体管就可以用做M2与M3。但在电压弃置式光侦测器的案例中，很难使侦测器正确作业，也很难避免晶体管M2与M3的制程或电路中的不顺或缺陷。这是由于其作业原理所难免带来的体效应之故。由CCD影像感测器的作业原理，以及上述的分析说明，得以推论出以下两种可用于影像感测装置的光侦测元件也可以实现1、一种包含闸极偏压式电荷积成型光二极管与可重置电容器(resettable-capacitor)负载的光侦测元件。其中该可重置电容器负载是做为光侦测器信号的取样与保持(sampleandhold)之用(为便于了解，请先参照图12的案例)。2、一种包含电压弃置型电荷积成式光二极管，与可重置电容器负载的光侦测元件。其中该可重置电容器负载也是做为光侦测器信号的取样与保持作业之用(为便于了解，请先参阅图14的案例)。为便于了解，请先参阅图13A与图15A。这两图展示出由该两种(以上所提两种)光侦测元件所构成的线性阵列型影像感测器。这两种影像感测器的功能相似于线性阵列CCD影像感测器。兹说明相似处如下同时以并行(parallel)方式将光点(photosite)信号传到相对应的类比记忆单元，接着在每一光侦测元件为下一读出周期执行电荷积成时，连续有序地从该记忆单元读出信号。这些影像感测器可用在三色光发射二极管(LED)光开关作业方法(lightswitchingmethod)所制成的彩色CIS扫描器上，来提升扫描信号输出量(throughput)。图7A的光侦测器，在预充电期间，晶体管M1的源极是浮动的(floating)，而且含有前一个信号读出周期所残留的电荷信号，这现象与残留电荷信号会引起相邻读出信号间的互相干扰(crosstalk)，或读出信号的固定形式的杂讯。这个问题可以经由晶体管M1源极的重置作业来解决。这项重置作业是在预充电期间，将n型MOS晶体管开关连接于源极与电压源或地线之间来达成。但这个情况下，会有一暂态(transient)电流在重置作业期间，从高电位电源端(Vdd)经晶体管M1与该n型MOS晶体管开关(图16A的M8)流向地。为便于了解，请先参阅图16A、图16B、图16C等所示的修正版光侦测元件接线电路。将图6A电压弃置型光侦测器的晶体管M1源极重置的作业并不一定必要，因为晶体管M1在重置期间本就一直是导通的。通常晶体管M1的源极电压被重置到大约低于闸极电压一临界电压值之处。兹简介一种用于接收照射光以产生光信号的，本发明光侦测器的实施器的实施例的基本架构，这光侦测器包含一光二极管，包含一电荷积成极，当该光二极管接收照射光时，该电荷积成极因应该照射光以累积电荷而使电位会升高；一闸极偏压型可储存电荷MOS晶体管，具有可调临界电压，其包含一偏压储存极连接该电荷积成极，其又包含一电源电压输入极连接一电压源、与一输出端因应该电荷积成的电位而输出一光信号(也就是，该输出端所输出的光信号，随该电荷积成极的电位高低而变化)；一预充电开关，因应一预充电控制信号，加一参考电压于该偏压储存极；以及一信号读出开关，含有一第一端与一第二端，该第一端连接该闸极偏压型可储存电荷MOS晶体管的输出端，该第二端因应一读出控制信号，经由该第一端接收该闸极偏压型可储存电荷MOS晶体管的输出端的光信号。附图简单说明图1A是一曲型P+n接合光二极管作业于即时(realtime)光电流感测模式的情形；图1B是图1A中的P+n接合光二极管的典型结构；图2A是一光晶体管作业于即时光电流放大模式的情形；图2B是图2A图中的光晶体管的典型结构；图3A是一典型P+n接合光二极管作业于电荷积成模式的情形。图3B是信号读出开关的时序图(timingdiagram)，以及图3A中的电荷积成光二极管的应用例的输出信号；图4A是一光晶体管作业于电荷积成模式的情形；图4B是信号读出开关的时序图，以及图4A中的电荷积成光晶体管的应用例的输出信号；图5A是展示一连接着电容器负载型射极追随器读出电路的基极偏压型电荷积成光晶体管所组成的光侦测器元件的线路图；图5B是展示预充电开关、信号读出开关、电容器负载重置开关等的时序图，以及图5A的光晶体管应用例的输出信号；图5C是展示图5A的光侦测器元件应用例的光反应转移特性曲线计算值；图6A是展示一种电压弃置式电荷积成型光二极管连接一电容器负载型源极追随器读出电路所组成的光侦测器元件的接线圈；图6B是展示光二极管重置开关、读出开关、电容器负载重置开关等的时序图，以及图6A的光侦测器元件应用例的输出信号；图6C是展示图6A的光侦测器元件应用例的光反应特性曲线计算值。图7A是展示一连接着电容器负载型源极追随器读出电路的闸极偏压式电荷积成型光二极管的线路图；图7B是展示二极管、闸预充电开关、读出开关、电容器负载重置开关等的时序图，以及图7A的光侦测器应用例的输出信号；图7C是展示图7A的光侦测器元件，在相关的晶体管于许多种不同临界电压值的条件下，计算出的光反应转移特性曲线；图8是展示图7A的光侦测器所需要的偏压的电压参考值(Vbias)。此Vbias适于促成某种条件下的线性动态区作业；图9是展示一应用施工图7A的光侦测器元件的修正电路；图10A是展示一应用许多图7A光侦测器元件所组成的线性阵列影像感测装置的电路，以及信号读出电路；图10B是展示一应用许多图7A光侦测器元件所成的面阵列影像感测装置的电路，以及信号读出电路；图11A是展示一应用许多图7A光侦测器元件所组成的面阵列影像感测装置的电路，以及信号读出电路；图11B是展示图11A中的影像感测装置作业所需的控制信号时序图；图12是展示一光侦测器元件的电路图。这光侦测器元件包含图7A中的光侦测器，以及一连接着缓冲放大器的开关式可重置电容器负载。后者是做为光二极管信号的取样保持作业之用。图13A是展示一应用许多图12光侦测器元件所组成的线性阵列影像感测装置的电路，以及信号读出电路。图13B是展示图13A的影像感测装置作业所需控制信号的时序图；图14是展示一采用电压弃置式电荷积成型光二极管组装于P型基板经CMOS处理而成的光侦测器元件的电路图，以及一连接有缓冲放大器，而能做为光二极管信号的取样保持作业电路的开关式可重置电容器负载的接线圈；图15A是展示一种采用许多图14光侦测器元件所组成的线阵列式影像感测装置的电路图，以及信号读出电路；图15B是展示图15A影像感测装置作业所需控制信号的时序图；图16A是展示一应用图7A所示光侦测器的电路图，以及一用来将晶体管M1(图7A所示M1)源极接到地电位的MOS开关。图16B是展示一应用图7A所示光侦测器的电路图，以及一用来将图7A所示晶体管M1源极重置到偏压电压(Vbias)的MOS开关。图16C是展示一应用图7A所示光侦测器的电路图，以及一用来将图7A所示晶体管M1源极重置到等于另一晶体管的源极(如图7A的M3的源极)的电位；图17A是展示一按CMOS技术，而与一电容器负载型源极追随读出电路一起组装于P型基板，之闸极偏压电荷积成光二极管的电路图；图17B是展示光二极管、闸极充电开关、读出开关、电容器负载重置开关等的时序图，以及图17A光侦测器元件应用例的输出信号；图17C是展示图17A所示光侦测器元件，在图17A的晶体管M1许多种临界电压条件下，所计算得的光反应转移特性曲线；图18是展示图17A所示光侦测器元件的一种修正电路图。图7A是本发明一种实施例的接线图，其中的闸极偏压式电荷积成型光二极管是构成单一光侦测器、或线阵列、面阵列影像感测装置的基本感光单元。图7A所示光侦测器包含一pn接合光二极管71，主要MOS晶体管M1、M2与M3，以及一偏压参考电压Vbias。如果是采用CMOS技术的n型基板晶圆，则二极管71是一种在n型基板上形成P+扩散层而得到的P+n接合二极管；这P+扩散层就是二极管71的阳极，而n型基板就是二极管71的阴极。这P+阳极连接于n型MOS晶体管M1的闸极。晶体管M1是做为光二极管71的P+极电压的电压缓冲或电压放大之用。M2与M3这两个晶体管是做开关之用，分别可以是n型或P型或传送闸(n型与P型晶体管并列连接在一起)MOS晶体管。然而在采用n型基板CMOS技术的条件下，n型MOS晶体管较适于做为M2与M3之用，以期能使电路设计与光侦测性能量佳化。晶体管M2是做为信号读出开关之用，而晶体管M3是做为预充电开关，将晶体管M1的闸极放电到一直流偏压电压值Vbias，并且在每一光电荷一积成周期(photocharge-integration)的初期，将光二极管71重置。图7B展示图7A中预充电开关M3、信号读出开关M2、电容器负载型重置开关M4等的时序图，以及图7A光侦测器应用例的读出信号。图7B所示的晶体管M3与M2分别导通的时间之间的时段，是本发明光侦测器的电荷积成时间。信号读出作业始于重置电容性负载C之时。重置电容性负载C的作业，是将一控制信号CLK(又称为「重置电容性负载信号」)加到晶体管M4的闸极，使电容性负载C重置到地电位。重置电容性负载C之后，读出作业的控制信号S2(又称为「读出控制信号」)变成活跃的(active)，接着电容性负载C京被充电(经由晶体管M1)到一电压位准，该电压位准大约低于光二极管71的P+极的光电压(photovoltage)信号一差值，该差值接近于晶体管M1的临界电压值。信号S2与CLK不能重叠，以确保能正确读出光信号。完成信号读出程序时，也就是控制信号S2下降时(inactive)，预充电信号S3(又称为「预充电控制信号」，是加于晶体管M3之闸极)变成活跃的(active)，使光二极管71的P+极(也就是晶体管M1的闸极)被充电到偏压电压(或称偏置电压)Vbias的电压值，以便将图7A光侦测器初始化(initialize)，准备进入下一电荷积成周期。这预充电作业的目的如下1.将P+n光二极管71设定成反偏状态(reverse-biasedcondition)，以便进行光充电积成作业；2.设定n型MOS晶体管M1的直流偏压电压值，使晶体管M1在信号读出时能作业于高增益(highgain)活动区；3.将前一信号读出周期残留的光信号清除，并且消去影像延迟效应(afterimageeffect)。图7C展示图7A光侦测器在晶体管M1各不同临界电压条件下，所计算出的光反应转移特性曲线。为了要模拟光二极管71P+极上所堆积的电荷量，一些电荷从电压参考线(或点)被植入(经过预充电开关M3)到P+极。由图7C可看出，图7A光侦测器的转移特性曲线可分布于电源电压Vdd所能容许的全部作业范围。输出信号由临界电压饱和到约4.3V。若晶体管M1的临界电压Vto大于零(Vto＞0)，则对每一Vto值所绘的转移特性曲线可区分为下列区域1.作业线斜率几乎为0的截止区(cutoffregion)，此截止区的P+极(图7A的光二极管71的P+极)的电压VP+是小于Vto；2.作业线斜率由0变为几乎等于1的过渡区(transitionregion)；3.作业线斜率大约为1，而且延伸到4伏特的实质线性活动区。本发明光侦测器就是设计在此区域内作业；4.作业线斜率缓慢减小的饱和区(saturation)。若晶体管M1的临界电压Vto＜0，则对每一不同Vto所绘的转移特性曲线就只呈现出线性活动区与饱和区。因此，若将偏压电压Vbias接地，而本发明光侦测器的晶体管M1又具有负的临界电压Vto，则本发明光侦测器就会自动作业于线性活动区。图8展示一种偏压电压Vbias简单电路图，适用于图7A的晶体管M1的临界电压Vto大于0的情况。对图7A中的光二极管71的n极充电到偏压电压Vbias，则输出信号的直流偏移电压会大约保持恒定，不致于受到作业温度的影响而变动。这偏压电压Vbias的电路可与本发明光侦测器一起组装于一晶片上。图9展示图7A本发明光侦测器的晶体管M1有负临界电压时的闸极偏压式电荷积成型光二极管的接线图。将偏压电压源Vbias接地，本发明光侦测器就会在VDD(电源电压)与地之间作业。若需要针对直流偏移(DCOffset)与温度变化执行电压稳定化，则可以采用一差动读出技巧(differentialreadouttechnique)，也就是将图9的电路中的光二极管91，以金属板遮蔽后，做为一种虚拟的(dummy)光侦测器，再将此虚拟光侦测器与其结合。图10A展示一个由许多图7A所示光侦测器所组成的线性阵列影像感测装置。图10A只绘出三个光侦测器，来表达相邻光侦测器的控制时序关系。图中电路也包含电容性负载式信号读出电路102，以及一单增益(unitygain，也就是增益等于1)工作放大器(operationalamplifier)101，该工作放大器是非为输出影像信号的缓冲放大器之用。这电路更包含有一数字扫描用的移位暂存器(shiftregister)，用来连续地依序启动(activates)每一光侦测器的信号读出开关。用来操作图10A所示线性阵列的时序控制信号说明于图10B。时钟控制信号CLK连续地触发移位暂存器，并且重置电容性负载，迫使输出信号保持在地电位。当启始脉波控制信号(startpulsecontrolsignal)加到移位暂存器时，这些控制信号会连续依序触发(或启动)每一光侦测器的信号读出开关，以便输出光信号(photosignal)到电容性负载(经由电容性负载型源极追随式信号读出作业)。当数字移位暂存器启动一光侦测器的信号读出开关时，在先前一时钟周期被启动的相邻光侦测器正进行着预充电作业(根据来自该移位暂存器的相同控制信号)。这预充电作业为下一行要被扫描的光侦测器作准备。每一行所需积存电荷的时间大约等于一光侦测器的两接续信号出作业之间的时段长短。在电荷积存时间内，由入射光线所产生的信号电荷(signalcharge)会累积在光侦测器的光二极管，使光二极管电压有一改变量Qs/Cd，该Qs是信号电荷，而Cd是该二极管的电容值。图11A展示一个由许多图7A所示光侦测器所构成的面阵列影像感测装置。图中只绘出2×2排列的四个光侦测器，用以解说这影像感测装置作业所需的控制信号时序。图11A电路也包含每一行的电容性负载型读出与取样一保持电路112，以及用以输出影像信号的电容性负载型读出电路与缓冲放大器113。这电路更包含两个数字扫描用移位暂存器X，垂直移位暂存器Y，以及水平移位暂存器X，用以配合控制信号，一次一列地连续依序输出影像信号。操作上述面阵列影像感测装置所需时序控制信号展示于图11B。同一列(例如第N列)的光侦测器平行地于同一时间被启动(被垂直移位暂存器Y的第N个输出信号启动)，而且同一列的光信号(指同一列上每个光侦测器所发出的影像信号)被输出到相对应的行电容性负载(每一行有一电容性负载)，并且存于该电容(指电容性负载的电容部份)成为一取样-保持信号。然后外加一启动脉波控制信号(startpulsecontrolsignal)到水平移位暂存器X，使这暂存器X连续依序启动，每一个取样-保持作业阶段所对应阶段所对应的信号读出开关，并且输出光信号到输出装置(缓冲放大器)，执行输出信号的作业。完成一列的信号读出作业后，垂直移位暂存器Y移位到下一列，并且不断重复以上所述的信号读出作业。在执行每一列信号读出作业时，相同的移位暂存器也正对前一列的光侦测器进行预充电作业。这预充电作业允许光侦测器开始为下一幅(frame)待扫描的影像进行电荷积成作业。每一幅影像的电荷积成时间，大约等于一列光侦测器的两接序信号读出作业之间的时间。由于设计这光侦测器的简易性，以及使用电容性负载型读出路，这面阵列影像感测器作业所需时序控制信号的电路设计，就变得很经济而且有效率。卓越的灵敏度与防止成像开花(anti-blooning)的特性将是本发明光侦测器的优势。图12A展示本发明光侦测器的另一实施例。这实施例包含图7A所示光侦测器，以及一开关可重置式电容器负载(switch-resettablecapacitorload)。该开关可重置电容器负载有一缓冲放大器做为光信号的取样保持电路。这种光侦测器最好是，以图12A所示光侦测器所组成的线性阵列来说明，也就是以图13A所示线阵列影像感测装置来解说。在图13A中，只有绘出三个光侦测器以说明这装置的作业所需的控制时序信号。图中电路也包含一接有缓冲放大器的电容性负载型信号读出电路133，用以输出影像信号。图中电路更包含一数字扫描移位暂存器132，用以连续地依序启动每一光侦测器的信号读出开关。图13B展示上述线性阵列影像感测装置作业所需时序控制信号。信号读出作业始于，外加控制号S4到每一光侦测器的电容器重置(capacitor-reset)开关M4，将所有取样保持电容重置到地电位。然后控制信号S2(又称为「读出控制信号」)启动每一光侦测器的信号读出开关M2，这时光二极管131内存在的光信号，就向对应的电容器充电(经由缓冲晶体管M1)，之后随着读出控制信号S2关去(turnsoff)信号读出开关M2，充到电容器的电荷信号就保留在电容器。接着，预充电控制信号S3启动(turnson)晶体管M3，以便向每一光侦测器的光二极管131与晶体管M1进行预充电。此时这光侦测器就开始进行下一待扫描线的电荷积成作业。一扫描线的电荷积成时间大约等于，两个接序的预充电作业之间的时间。在电荷积成作业中，数字移位暂存器就连续地依序启动，取样保持电路中的每一信号读出开关，以便输出前一扫描作业的影像信号。这种影像感测装置的功能，事实上就如同一CCD线性阵列。CCD线阵列的每一光点(photosite)信号是在同一时间，以平行方式被传到其相对应的类比CCD移位暂存器所构成的存储器，然后在光感测器进行下一扫描作业的光信号积成时，这些被存在存储器的信号，会经由电荷感测放大器(charge-sensingamplifier)，连续地依序被移位出(shiftedout)。图13A所示阵列可以用在那些采用三开关式发光二极管(switchingLED)光源的彩色CIS(contactimagesensor，也就是接触式影像感测器)扫描器上，以期减少每一扫描线的作业时间，而提高信号输出量(throughout)。图14A展示本发明光侦测器的又一实施例。图中的光侦测器包含一电压弃置式(voltagepickoff)电荷积成型光二极管(依CMOS处理技术装于一P型基板)、以及一开关可重置式(switch-resettable)电容器负载。该开关可重置式电容器负载接有一缓冲放大器，做为光二极管信号的取样保持之用。图15A所示线性阵列影像感测装置就是由图14A光侦测器所构成，其最适于用来解说图14A图光侦测器应用上的作业。在图15A中，只有绘出三个上述的光侦测器；这三个光侦测器可用以说明这种影像感测装置作业所需的控制时序信号。图15A电路也包含电容器负载型信号读出电路，其接有一缓冲放大器，以便输出影像信号。图15A电路更包含一数字扫描移位暂存器，可以连续地依序启动每一光侦测器的信号输出开关。图15B展示上述线性阵列影像感测装置作业所需时序控制信号。其读出影像信号的作业方式完全相同于图13A的影像感测装置，因此就不再于此详述。以这种方式构成这种线性阵列影像感测装置，有下列优点1.可有效降低成本，因为P型基板较普遍地用于标准的CMOS制程技术；2.每一光侦测器的重置开关(图15A中的M3)与信号读出开关(图15A中的M2)可以用某一控制信号启动，所以作业中晶体管M3与M2所引起的体效应(bodyeffect)，可以藉由将这两晶体管以传送闸晶体管(transmissiongatetransistors)取代来消除，而在电路设计上所付出的代价却很小。图13A与图15A所示阵列电路之间的差异，在于输出信号位准与入射光强度之间的关系。图13A的阵列电路的影像输出信号会随入射光强度的增加而提高，但图15A所示的影像输出信号却会随入射光强度的增加而变小。图16A展示一电路，其包含图7A所示的光侦测器，以及一用来输入控制信号S3，以重置晶体管M1(也就是图7A中的M1)源极到地电位的MOS开关M8。图16B展示一电路，其包含图7A所示光侦测器，以及一用来输入该预充电控制信号S3，以重置晶体管M1(也就是图7A中的M1)源极到偏压电压Vbias(或称偏置电压)的MOS开关M8。图16C展示一电路，其包含图7A所示光侦测器，以及一用来输入该预充电控制信号S3，以重置晶体管M1(也就是图7A中的M1)源极到晶体管M3(也就是图7A中的M3)的源极电位。在图7A所示光侦测器的预充电期间，晶体管M1的源极是浮动的(floating)，而且含有前一信号读出周期所遗留的电荷信号，会产生相邻的输出信号之间的互相干扰(crosstalk)，或读出信号的固定形式的杂讯(fisedpatternnoise)。但若在预充电期间，藉由一连接在晶体管M1源极与电压源(正端或接地端)之间的MOS开关(或称源极重置开关)，将晶体管M1源极重置，则上述不良效应可以被消除。但这种电路配置会产生一暂态电流(transientcurrent)由电源的VDD端经过晶体管M1与源极重置开关等流向电压源或地线。针对光侦测器的此现象所作的新修正电路，正是图16所展示，也正是本发明光侦测器的特色之一。图17A展示一电路，其是采用CMOS制程技术，将一闸偏压式电荷积成型光二极管171装于一P型基本上的电路，其中包含一电容器负载型源极追随式信号读出电路172。图17B展示图17A中光二极管171、闸极预充电开关M3、信号读出开关M2、以及电容器负载型重置开关M4等的时序图，也展示了图17A光侦测器应用例的输出信号。图17C展示图17A的光侦测器，在晶体管M1设定于各种不同的临界电压情况下，所计算出的光反应转移特性曲线。图18展示图17A光侦测器的一种修正电路，适用于其晶体管M1的临界电压Vto大于0的情况。电压参考电路可以省略，而偏压电压也Vbias可以连接到Vdd。本发明并不受限于上述揭露说明。以上实施例的说明在于使熟悉相关技术者易于了解本发明，而非限定本发明的专利范围，故凡未脱离本发明的精神或原理所为的修饰或变更，仍包含在以下所述的申请专利范围中。权利要求1.一具有宽广作业范围的CMOS光侦测器，用于接照射光以产生光信号，其特征在于该光侦测器包含一光二极管，包含一电荷积成极，当该光二极管接收照射光时，该电荷积成极因应该照射光以累积电荷而使电位会升高；一闸极偏压型可储存电荷MOS晶体管，具有可调临界电压，其包含一偏压储存极连接该电荷积成极，其又包含一电源电压输入极连接一电压源、与一输出端因应该电荷积成极的电位而输出一光信号；一预充电开关，因应一预充电控制信号，加一参考电压于该偏压储存极；以及一信号读出开关，含有一第一端与一第二端，该第一端连接该闸极偏压型可储存电荷MOS晶体管的输出端，该第二端因应一读出控制信号，经由该第一端接收该闸极偏压型可储存电荷MOS晶体管的输出端所输出的光信号。2.如权利要求1所述的具有宽广作业范围的CMOS光侦测器，其特征在于该二极管是一种P+n接合结构，其P+极就是该电荷积成极，其n极是一连接一电压源的基板。3.如权利要求1所述的具有宽广作业范围的CMOS光侦测器，其特征在于其中该预充电开关包含一第一极连接该偏压储存极，一第二极接收该预充电控制信号，一第三极连接一供应该参考电压的电压源。4.如权利要求1所述的具有宽广作业范围的CMOS光侦测器，其特征在于其中该闸极偏压型可储存电荷MOS晶体管是一种n型MOS晶体管，其汲极是该电源电压输入极，其源极是该输出端，其闸极是该偏压储存极。5.如权利要求3所述的具有宽广作业范围的CMOS光侦测器，其特征在于其中该预充电开关是一n型MOS晶体管，该预充电开关的第一极是该n型MOS晶体管的汲极(drain)，第二极是该n型MOS晶体管的闸极，第三极是该n型MOS晶体管的源极。6.如权利要求1所述的具有宽广作业范围的CMOS光侦测器，其特征在于其中该信号读出开关是一种n型MOS晶体管，该信号读出开关的第一端是该n型MOS晶体管的汲极，第二端是该n型MOS晶体管的源极，该n型MOS晶体管因应其闸极接收该读出控制信号而导通，使该信号读出开关的第二端，能经由其第一端接收该闸极偏压型可储存电荷MOS晶体管的输出端的光信号。7.如权利要求1所述的具有宽广作业范围的CMOS光侦测器，其特征在于其中该预充电开关，在该光二极管接收一照射光之前，将该偏压储存极充电到该参考电压，使该闸极偏压型可储存电荷MOS电昌体，在该光二极管接收该照射光时，就作业于动态区，其转移特性曲线的斜率接近于一常数，因而该输出端所输出的光信号呈线性追随该偏压储存极电位，也就是线性追随该电荷积成极电位，因而也就线性追随该照射光强度。8.如权利要求7所述的具有宽广作业范围的CMOS光侦测器，其特征在于其中该参考电压稍高于该闸极偏压型可储存电荷MOS电晶体的临界电压。9.如权利要求7所述的具有宽广作业范围的CMOS光侦测器，其特征在于其中该参考电压适于将前一照射光所遗留在该电荷积成极的电荷重置，以避免影像落后(imagelag)效应。10.如权利要求7所述的具有宽广作业范围的CMOS光侦测器，其特征在于其中该闸极偏压型可储存电荷MOS晶体管的临界电压为负值时，该参考电压为地电位，使该闸极偏压型可储存电荷MOS晶体管，在该光二极管接收照射光时，会自动作业于动态区。11.如权利要求1所述的具有宽广作业范围的CMOS光侦测器，其特征在于更包含一可重置电容性负载，用以接收该信号读出开关的第二端的光信号，但每次收该光信号之前，会因应一重置电容性负载信号而重置为地电位。12.如权利要求11所述的具有宽广作业范围的CMOS光侦测器，其特征在于其中该可重置电容性负载包含一电容重置开关，因应该重置电容性负载信号，将该电容性负载重置为地电位。13.如权利要求1所述的具有宽广作业范围的CMOS光侦测器，其特征在于是根据CMOS技术造于P型基板，其中该光二极管是一种n+P接合结构，该n+极是一种扩散层，而该P极是P型基板；该闸极偏压型可储存电荷MOS晶体管具有可调临界电压，并且该可调临界电压可为正值，也可为负值；该预充电开关可为一种P型MOS晶体管；该信号读出开关可为一种P型MOS晶体管；光二极管的n+极连接该偏压储存极，P极连接地线；该闸极偏压型可储存电荷MOS晶体管的汲极接地，源极接该信号读出开关的第一端。14.如权利要求13所述的具有宽广作业范围的CMOS光侦测器，其特征在于其中该闸极偏压型可储存电荷MOS晶体管的闸极连接该光二极管的n+极，源极与该信号读出开关P型MOS晶体管的汲极连接；用做该信号读出开关的P型MOS晶体管的闸极接收该读出控制信号，源极因应该读出控制信号，会经过汲极接收该闸极偏压型可储存电荷MOS晶体管的源极上的光信号，用做该预充电开关的P型MOS晶体管闸极，接收该预充电控制信号，源极接该参考电压，汲极接该光二极管的n+极。15.如权利要求1及14所述的具有宽广作业范围的CMOS光侦测器，其特征在于其中该闸极偏压型可储存电荷MOS晶体管的临界电压为负值时，该参考电压低于该电压源电压与该临界电压的加成值。16.如权利要求1及14所述的具有宽广作业范围的CMOS光侦测器，其特征在于其中该闸极偏压型可储存电荷MOS晶体管的临界电压为正值时，该参考电压为电源电压的电位。17.一线阵列影像感测装置，用于感测一线状影像，其特征在于包含一扫描移位暂存器；多个呈线状排列的光侦测器，分别侦测该线状影像的不同部位；一电容性负载；该多个呈线状排列的光侦测器，遂一被该扫描移位暂存器启动，依序输出对应于该线状影像的光信号到该电容性负载，当该移位暂存器启动该光侦测器的一时，也同时将前一个已被启动的该光侦测器之一重置。18.一面阵列影像感测装置，用于感测一面状影像，其特征在于包含多个呈矩陈式排列的光侦测器，分别侦测该面状影像的不同部位，每一该光侦测器有一行号与列号，同一列的每一该光侦测器有相同的列号，同一行的每一该光侦测器有相同的行号；一垂直(行)数字扫描移位暂存器Y；一水平(列)数字扫描移位暂存器X；多个电容性负载型取样保持放大器，分别对应于该矩陈式排列光侦测器的各行号；一输出放大器；该行数字扫描移位暂存器Y逐列启动该矩陈式排列的光侦测器，被启动的列之内的每一该光侦测器，输出对应于该面状影像的光信号到，对应于其行号的该电容性负载型取样保持放大器，然后该列数字扫描移位暂存器X，逐一启动该多个电容性负载型取样保持放大器，依序输出一取样保持信号到该输出放大器。19.一光侦测器，用以侦测照射光，而发出随照射光强度变化的光信号，其特征在于其包含一光二极管，其是n+P架构；一第一晶体管连接一电压源与该光二极管的n+极；一第二晶体管，其闸极连接该光二极管的n+极，其汲极连接该电压源；一第三晶体管，因应一信号读出控制信号，将该第二晶体管的源极的信号传到一输出电路；该输出电路包含一取样保持电容器、一第四晶体管、一第五晶体管、以及一第六晶体管；该第四晶体管因应一电容重置信号，将该取样保持电容器重置，该第五晶体管用以缓冲放大该取样保持电容器的信号，该第六晶体管因应一输出控制信号，将该第五晶体管缓冲放大后的信号输出。20.如权利要求1所述的具有宽广作业范围的CMOS光侦测器，其特征在于更包含一MOS晶体管，其汲极连接该闸极偏压型可储存电荷MOS晶体管的源极，其源极连接一指定电位，其闸极接收一重置控制信号，将该闸极偏压型可储存电荷MOS晶体管的源极，重置到该指定电位。21.如权利要求20所述的具有宽广作业范围的CMOS光侦测器，其特征在于其中该MOS晶体管可以选用N型晶体管、P型晶体管、与传送闸(transmissiongate)三种晶体管中的任一种。22.如权利要求3所述的具有宽广作业范围的CMOS光侦测器，其特征在于更包含一MOS晶体管，其汲极连接该闸极偏压型可储存电荷MOS晶体管的源极，其源极连接该预充电开关的第一极，其闸极接收一重置控制信号，将该闸极偏压型可储存电荷MOS晶体管的源极，重置到该预充电开关的第一极的电位。23.如权利要求7所述的具有宽广作业范围的CMOS光侦测器，其特征在于其中该转移特性曲线的斜率，在动态作业区内大约为一常数，而在饱和作业区(saturationregion)内缓慢变小。全文摘要本发明提供一新式光侦测器,其特征在于:开始接收照射光就能作业于动态区,使发出的光信号能在很大的范围内,线性地追随照射光。其主要利用一预充电开关,使光二极管接收照射光前,就已有一充电电压,又配合一临界电压可调整的放大用晶体管,使转移特性曲线可能遍及整个电源电压允许的作业范围,达到超值功效。该预充电开关的预充电作业又能有效消除前一感光作业所残留的光信号电荷,所以更进一步提升光侦测器的性能。文档编号H01L31/10GK1193174SQ9810115公开日1998年9月16日申请日期1998年4月6日优先权日1997年4月7日发明者陈博正申请人:陈博正