CN102376276A - 主动式光感测像素、主动式光感测阵列以及光感测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种主动式光感测像素、主动式光感测阵列以及光感测方法,其中主动式光感测像素包括:双端点光感测晶体管以及驱动晶体管。双端点光感测晶体管具有一第一端点耦接于第一节点、第二端点连接于选择信号线,以及控制端点连接于第一节点。驱动晶体管具有第一端点耦接于第一参考电压、第二端点耦接于输出信号线,以及控制端点连接于第一节点。
Description
技术领域
本发明是有关于显示器,特别是有关于使用主动式光感测像素的显示器,其中主动式光感测像素在选择信号线被选取时同时执行曝光和读出。
背景技术
近年来,电子书(E-books)已经逐渐被发展并商业化。电子书的一种可行的显示架构是使用薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)的显示架构。换言之,电子书可通过在下板(backplane)设置电子组件(例如TFT或光传感器)而显示影像。为了要在电子书的显示屏幕上作标记,电子书必须能够感测光。以具有光感测功能的电子书为例,由于光传感器被设置在下板,所以透光度不佳。因此,已知电子书的缺点是需要很长的曝光时间才能在电子书的显示屏幕(displayscreen)上作标记。
因此,亟需一种主动式光感测像素,使得电子书能够迅速被地标记。
发明内容
因此,本发明的目的在于提供一种主动式光感测像素、主动式光感测阵列以及光感测方法。
本发明提供一种主动式光感测像素,包括:双端点光感测晶体管以及驱动晶体管。双端点光感测晶体管具有一第一端点耦接于第一节点、第二端点连接于选择信号线,以及控制端点连接于第一节点。驱动晶体管具有第一端点耦接于第一参考电压、第二端点耦接于输出信号线,以及控制端点连接于第一节点。
本发明提供一种主动式光感测阵列,包括:多个信号选择线、多个输出信号线以及多个主动式光感测像素。主动式光感测像素的每一个包括:双端点光感测晶体管以及驱动晶体管。双端点光感测晶体管具有第一端点耦接于第一节点、第二端点耦接于相应的选择信号线,以及控制端点连接于第一节点。驱动晶体管具有第一端点耦接于第一参考电压、第二端点耦接于相应的输出信号线,以及控制端点连接于第一节点。
本发明亦提供一种光感测方法,应用于主动式光感测像素,主动式光感测像素包括:双端点光感测晶体管以及驱动晶体管。双端点光感测晶体管具有第一端点耦接于第一节点、第二端点耦接于选择信号线以及控制端点连接于第一节点。驱动晶体管具有第一端点耦接于第一参考电压、第二端点耦接于输出信号线,以及控制端点连接于第一节点。光感测方法包括下列步骤:在曝光及读出周期,提供第一电压准位至选择信号线,使得双端点光感测晶体管作为光敏电阻;以及当双端点光感测晶体管接收到入射光时,产生光感测电流对第一节点充电,使得驱动晶体管根据第一节点上的电压准位而导通,用以产生输出电流至输出信号线。
本发明提供主动式光感测像素和其光感测方法。相较于已知的被动式光感测像素,本发明的光感测像素具有更高的信噪比和驱动能力,因此能够满足大面积显示器的需求。此外,本发明驱动晶体管的控制端是连接至其第二端点,所以显示器不会受到驱动晶体管临界电压变动的影响。本发明的光感测像素和阵列可设置于显示器的下板,并且取代已知的电荷耦合组件(charge coupleddevice,CCD)光传感器和CMOS光传感器。
附图说明
本发明能够以实施例伴随所附附图而被理解,所附附图亦为实施例的一部分。已知技艺者应能知悉本发明申请专利范围应被宽广地认定以涵括本发明的实施例及其变型,其中:
图1A为本发明的双端点光感测晶体管第一操作模式的图示;
图1B显示双端点光感测晶体管操作在第一操作模式时,第一端点的电压和光感测电流的关系。
图2A为本发明的双端点光感测晶体管第二操作模式的图示;
图2B显示双端点光感测晶体管操作在第二操作模式时,第二端点的电压和二极管电流的关系。
图3为本发明主动式光感测像素的图示;
图4为图3选择信号线的时序图;
图5为本发明主动式光感测像素的另一示意图;
图6为本发明主动式光感测阵列的图示与信号线相应的时序图;
图7为本发明主动式光感测及显示阵列的图示与信号线相应的时序图。
【主要组件符号说明】
Q1~双端点光感测晶体管;
Q2~驱动晶体管;
Q3~开关晶体管;
hv~入射光;
VH~高电压;
VL~低电压;
Iphoto、I’photo~光感测电流;
Idiode、I’diode~二极管电流;
U11、U12、U13、U21、U22、U23、U31、U32、U33、U41、U42、U43~主动式光感测及显示像素;
P11、P12、P13、P21、P22、P23、P31、P32、P33、P41、P42、P43~主动式光感测像素;
S22~显示像素;
Sel_1-Sel_4~选择信号线;
Out_0-Out_3~输出信号线;
data_1-data_4~数据信号线;
Vref1~第一参考电压;
Vref2~第二参考电压;
Vref3~第三参考电压;
X1~第一节点;
VX1、VN1、VN2~电压;
VGH~高准位驱动电压;
VGL~低准位驱动电压;
Vth_Q1~临界电压;
T1~第一周期;
T2~第二周期;
Csensitivity~灵敏度调整电容;
CLC~液晶电容;
Mphoto-sensing~光感测阵列;
Msensing-display~光感测及显示阵列;
N1:第一端点;
N2:第二端点;
50~驱动电路;
51~感测电路;
52~数据驱动电路。
具体实施方式
图1A为本发明的双端点光感测晶体管操作于一第一操作模式(firstoperation mode)的示意图。在本实施例中,双端点光感测晶体管Q1为N型氢化非晶硅薄膜晶体管(N-type a-Si:H TFT),但不限于此。双端点光感测晶体管Q1具有第一端点N1、第二端点N2,以及控制端点。要注意的是,双端点光感测晶体管Q1的控制端点是连接至第二端点N2,并借此形成双端点光感测晶体管Q1的两个端点,即第一端点N1与连接于第二端点N2的控制端点。在第一操作模式中,双端点光感测晶体管Q1的第一端点N1被施加高电压VH,而第二端点N2被施加低电压VL。当入射光hv照射到操作于第一操作模式的双端点光感测晶体管Q1时,双端点光感测晶体管Q1会产生光感测电流Iphoto由第一端点N1流向第二端点N2。一般而言,光感测电流Iphoto的大小是由双端点光感测晶体管Q1的半导体层的面积和材料特性所决定。此外,光感测电流Iphoto的大小亦可由入射光hv的强度所决定;换言之,若入射光的强度越强,则光感测电流Iphoto也越大。因此,双端点光感测晶体管Q1于第一操作模式作为一光敏电阻(photosensitive resistor)。在另一实施例中,双端点光感测晶体管Q1亦可为P型硅薄膜晶体管(P-type Si TFT),但不限定于此。在其它实施例中,双端点光感测晶体管Q1亦可为双载子接面晶体管(BJT)或其它开关组件。
图1B显示双端点光感测晶体管Q1操作在第一操作模式时,第一端点的电压VN1和光感测电流Iphoto的关系。如图1B所示,当没有入射光hv照射时(菱形点线),光感测电流I’photo为零(又称为截止区)。相反地,当有入射光hv照射时(方形点线),与已知场效晶体管(FET)类似地,光感测电流Iphoto起初会呈现线性增加,然后增加幅度逐渐变小(又称为三极管区),且最后趋近于饱和(又称为饱和区)。在一实施例中,若双端点光感测晶体管Q1被入射光照射且第一端点的电压VN1为16V,则光感测电流Iphoto约为7.5E-09安培;若双端点光感测晶体管Q1未被入射光照射且第一端点的电压VN1为16V,则光感测电流I’photo为0安培。当双端点光感测晶体管Q1操作在第一操作模式时,通过侦测光感测电流Iphoto,便能够判断双端点光感测晶体管Q1是否被入射光照射。
图2A为本发明的双端点光感测晶体管操作于一第二操作模式(secondoperation mode)的示意图。类似于图1A,双端点光感测晶体管Q1的控制端也连接至第二端点N2。相较于第一操作模式,双端点光感测晶体管Q1的第一端点N1被施加低电压VL,而第二端点被施加高电压VH。因为双端点光感测晶体管Q1的控制端和第二端点耦接至高电压VH(通常称为“二极管连接”),所以在第二操作模式中,双端点光感测晶体管Q1作为一二极管,并产生二极管电流Idiode(即顺向导通电流)由第二端点N2流向第一端点N1。
图2B显示双端点光感测晶体管Q1操作在第二操作模式时,第二端点的电压VN2和二极管电流的关系。类似于已知二极管,双端点光感测晶体管Q1的二极管电流Idiode起初为零,然后在导通之后,呈现指数型式的增加。在双端点光感测晶体管Q1导通之后(VN2>10V),不论是否有入射光hv照射,都存在二极管电流由第二端点N2流向第一端点N1。要注意的是,有入射光hv照射(方形点线)的二极管电流Idiode大于没有入射光hv照射(菱形点线)的二极管电流I’diode。在一实施例中,若双端点光感测晶体管Q1被入射光照射且第二端点的电压VN2为15V,则二极管电流Idiode约为1.0E-09安培。相反地,若双端点光感测晶体管Q1未被入射光照射且第二端点的电压VN2为15V,则二极管电流I’diode约为0.5E-09安培。因此,第二操作模式有两种用途,第一种是通过侦测/判断二极管电流的数值/大小,便能够判断双端点光感测晶体管Q1是否被入射光照射。第二种是利用二极管电流来让第二端点N2对第一端点N1放电。一般来说,因为二极管电流Idiode的数值远大于光感测电流Iphoto的数值(约大1.0E+03~1.0E+04个数量级),所以相对于在第一操作模式中,光感测电流Iphoto对第一端点N1的充电过程,在第二操作模式中,二极管电流Idiode对第二端点N2的放电过程是更快速的。
图3为本发明主动式光感测像素的示意图。在本实施例中,主动式光感测像素P22包括双端点光感测晶体管Q1,以及驱动晶体管Q2。主动式光感测像素P22耦接于信号选择线Sel_2,以及垂直于选择信号线Sel_2的输出信号线Out_2。
在图3中,双端点光感测晶体管Q1具有第一端点N1耦接于第一节点X1、第二端点N2耦接于选择信号线Sel_2,以及控制端点连接于第一节点X1。驱动晶体管Q2具有第一端点耦接于第一参考电压Vref1、第二端点耦接于输出信号线Out_2,以及控制端点连接于第一节点X1。
本发明光感测像素的光感测方法将如以下说明。图4显示选择信号线的时序图,以及第一节点X1的电压波形,其中第一节点X1的电压波形为光感测像素P22被入射光hv照射的情况。在图4中,实线分别表示扫描信号线Sel_2的时序图,虚线表示当光感测像素P22被入射光hv照射时,第一节点X1的电压VX1的波形。
以下讨论双端点光感测晶体管的操作模式。在第一周期T1(通常称为曝光及读出周期),选择信号线Sel_2的电压准位被拉至高于第一节点X1的电压准位(如高准位驱动电压VGH),并且光感测像素P22被入射光照射,双端点光感测晶体管Q1作为光敏电阻并根据入射光hv而产生光感测电流Iphoto,并且光感测电流Iphoto将第一节点X1充电至高准位的电压VX1。当电压VX1高于驱动晶体管Q2的临界电压时,驱动晶体管Q2被导通并产生输出电流至输出信号线Out_2,所以第一周期T1也是读出周期。另一方面,在第一周期T1,选择信号线Sel_2的电压准位被拉至高于第一节点X1的电压准位(如高准位驱动电压VGH),但光感测像素P22未被入射光照射,双端点光感测晶体管Q1则不会产生光感测电流Iphoto。由上述的讨论可知这里用到的是双端点光感测晶体管Q1的第一操作模式。因此,当双端点光感测晶体管Q1作为光敏电阻时,将驱动晶体管Q2的临界电压设计为小于(或等于)被入射光照射的光感测电流Iphoto在第一节点上所产生的对应电压,故使得驱动晶体管Q2被光感测电流Iphoto导通并产生输出电流。因此,通过判断光感测像素是否产生输出电流,便能够判断其是否被入射光hv照射。
在第二周期T2(通常称重置周期),选择信号线Sel_2的电压准位被拉至低于第一节点X1的电压准位(如低准位驱动电压VGL),双端点光感测晶体管Q1作为二极管并通过二极管电流Idiode而将第一节点X1的电压VX1“快速地”放电至选择信号线Sel_2。当第一节点X1的电压VX1被放电至低于驱动晶体管Q2的临界电压时,驱动晶体管Q2截止。
在第二周期T2,驱动晶体管Q2被截止,所以即使入射光hv照射双端点光感测晶体管Q1,双端点光感测晶体管Q1也不会产生光感测电流。要注意的是,本发明对第一节点的电压VX1的重置主要是通过双端点光感测晶体管Q1的二极管电流Idiode(即第二操作模式)而完成。在本实施例中,选择信号线的高准位驱动电压VGH为10V,选择信号线的低准位驱动电压VGL为0V。第一节点X1的电压波形VX1比低准位驱动电压VGL至少高Vth_Q1,其中Vth_Q1为双端点光感测晶体管Q1的临界电压。
图5为本发明主动式光感测像素的示意图。本实施例大体上类似于图3的实施例,为了简化说明,其电路连接方式和选择信号线的时序图不再赘述。要注意的是,主动式光感测像素P22还包括灵敏度调整电容Csensitivity,具有第一端点连接于第一节点X1,以及第二端点连接于第二参考电压Vref2。
接着说明灵敏度调整电容Csensitivity的作用。如上所述,通过调整驱动晶体管Q2的栅极电压(即第一节点X1的电压VX1),便能够判断主动式光感测像素P22是否被入光照射。在本实施例中,当光感测电流Iphoto很大时(即ΔVX1很大),使用具有较大电容值的灵敏度调整电容Csensitivity;当光感测电流Iphoto很小时(即ΔVX1很小),使用具有较小电容值的灵敏度调整电容Csensitivity。因此,即使入射光很微弱而使光感测电流Iphoto变得很小,通过使用电容值较小的灵敏度调整电容Csensitivity,仍然可以感测微弱的入hv。借此,本发明具有较高的信噪比。
图6为本发明主动式光感测阵列的图示与信号线相应的时序图。主动式光感测阵列Mphoto-sensing包括多个信号选择信号线Sel_1-Sel_4、多个输出信号线Out_1-Out_3、多个主动式光感测像素P11-P43、驱动电路50,以及感测电路51。在本实施例中,多个主动式光感测像素P11-P43的每一个大体上类似于图5的实施例,但不限定于此。在某些实施例中,主动式光感测像素P11-P43的每一个亦可类似于图3的实施例。为了简化说明,其电路连接方式和选择信号线Sel_1-Sel_4的时序图不再赘述。驱动电路50依序致能选择信号至多个选择信号线Sel_1-Sel_4。举例而言,在第一周期T1(曝光及读出周期),选择信号线Sel_2的电压准位被拉至高于第一节点X1的电压准位(如高准位驱动电压VGH),双端点光感测晶体管Q1作为光敏电阻并根据入射光hv而产生光感测电流Iphoto,并且光感测电流Iphoto对第一节点X1充电至高准位的电压VX1。在此实施例中,双端点光感测晶体管Q1作未被入射光hv照射时,则不会产生光感测电流Iphoto,对第一节点X1充电。当第一节点X1上的电压被充电而高于驱动晶体管Q2的临界电压时,驱动晶体管Q2被导通并产生输出电流至输出信号线Out_2,然后感测电路51通过侦测/判断输出电流的数值/大小便能够决定主动式光感测像素P22是否被入射光hv照射。因此,第一周期T1也是读出周期。接着,在第二周期T2,选择信号线Sel_2的电压准位被拉至低于第一节点X1的电压准位(如低准位驱动电压VGL),驱动晶体管Q2通过双端点光感测晶体管Q1的二极管电流Idiode将第一节点的电压VX1重置,使得驱动晶体管Q2被截止。要注意的是,当选择信号线Sel_2是第一周期T1时,选择信号线Sel_1、Sel_3和Sel_4是第二周期T2,换言之,选择信号线Sel_1、Sel_3和Sel_4的相应的扫描列是截止的,所以选择信号线Sel_2的相邻的选择信号线Sel_1和Sel_3不会对选择信号线Sel_2造成干扰。在其它实施例中,主动式光感测阵列Mphoto-sensing包括四条以上的选择信号线、三条以上的扫描信号线,以及十二个以上的光感测像素。已知技艺者当根据产品的需求来设计主动式光感测阵列Mphoto-sensing。
图7为本发明主动式光感测及显示阵列的图示与信号线相应的时序图。主动式光感测及显示阵列Msensing-display包括多个选择信号线Sel_1-Sel_4、多个输出信号线Out_0-Out_3、多个数据信号线data_1-data_4、多个主动式光感测及显示像素U11-U43、驱动电路50、感测电路51,以及数据驱动电路52。在图7中,主动式光感测及显示像素U11-U43的每一个均包括一主动式光感测像素(例如P22)以及一显示像素(例如S22),其中每一个主动式光感测像素能够以本发明前述实施例的主动式光感测像素而被设置,在此不再赘述。参考显示像素S22,显示像素S22包括一开关晶体管Q3以及一液晶电容CLC,其中开关晶体管Q3具有一第一端点耦接于第二数据线data_2、一第二端点,以及一控制端点耦接于第二选择信号线Sel_2,并且液晶电容CLC具有一第一端点连接于开关晶体管Q3的第二端点,以及一第二端点耦接于第三参考电压Vref3。
以下讨论主动式光感测及显示阵列的操作。举例而言,在第一周期T1,选择信号线Sel_1的电压准位被拉至高于光感测像素P22的第一节点X1的电压准位(如高准位驱动电压VGH),双端点光感测晶体管Q1作为光敏电阻并根据入射光hv而产生光感测电流Iphoto,并且光感测电流Iphoto对第一节点X1充电至高准位的电压VX1。当第一节点X1上的电压高于驱动晶体管Q2的临界电压,驱动晶体管Q2被导通并产生输出电流至输出信号线Out_2,然后感测电路51通过侦测/判断输出电流的数值/大小便能够决定主动式光感测像素P22是否被入射光hv照射。因此,第一周期T1也是读出周期。在此实施例中,当第一节点X1上的电压VX1高于驱动晶体管Q2的临界电压时,驱动晶体管Q2会导通。相反地,当双端点光感测晶体管Q1未被入射光照射时,则不会产生光感测电流Iphoto,第一节点X1上的电压VX1会低于驱动晶体管Q2的临界电压,故驱动晶体管Q2则不会导通。
接着,在第二周期T2,选择信号线Sel_1的电压准位被拉至低于第一节点X1的电压准位(如低准位驱动电压VGL),第一节点的电压VX1是通过双端点光感测晶体管Q1的二极管电流Idiode被重置,使得驱动晶体管Q2被截止。此时,因为选择信号线Sel_2亦被驱动电路50致能,所以显示像素S22的开关晶体管Q3导通。因此,显示像素S22根据由第二数据信号线data_2接收的数据信号,而显示主动式光感测及显示像素U22被入射光照射与否。
本发明提供主动式光感测像素和其光感测方法。相较于已知的被动式光感测像素,本发明的光感测像素具有更高的信噪比和驱动能力,因此能够满足大面积显示器的需求。此外,本发明驱动晶体管Q1的控制端是连接至其第二端点,所以显示器不会受到驱动晶体管Q1临界电压变动的影响。本发明的光感测像素和阵列可设置于显示器的下板,并且取代已知的电荷耦合组件(chargecoupled device,CCD)光传感器和CMOS光传感器。
虽然本发明以较佳实施例揭露如上,但并非用以限制本发明。此外,已知技艺者应能知悉本发明申请专利范围应被宽广地认定以涵括本发明所有实施例及其变型。
Claims (15)
1.一种主动式光感测像素,其特征在于,包括:
一双端点光感测晶体管,具有一第一端点耦接于一第一节点、一第二端点连接于一选择信号线,以及一控制端点连接于上述第一节点;以及
一驱动晶体管,具有一第一端点耦接于一第一参考电压、一第二端点耦接于一输出信号线,以及一控制端点连接于上述第一节点。
2.根据权利要求1所述的主动式光感测像素,其特征在于,还包括一灵敏度调整电容,具有一第一端点连接至上述第一节点,以及一第二端点连接至一第二参考电压。
3.根据权利要求1所述的主动式光感测像素,其特征在于,在一曝光及读出周期,上述选择信号线上的电压准位被拉至高于上述第一节点上的电压准位,上述双端点光感测晶体管作为一光敏电阻并根据一入射光而产生一光感测电流,并且上述光感测电流对上述第一节点充电,使得上述驱动晶体管被导通并产生一输出电流至上述输出信号线。
4.根据权利要求3所述的主动式光感测像素,其特征在于,在接续于上述曝光及读出周期的一重置周期,上述选择信号线上的电压准位被拉至低于上述第一节点上的电压准位,上述双端点光感测晶体管作为一二极管,并产生一二极管电流,使得上述第一节点被放电并且上述驱动晶体管被截止。
5.根据权利要求1所述的主动式光感测像素,其特征在于,上述双端点光感测晶体管为N型氢化非晶硅薄膜晶体管。
6.一种主动式光感测阵列,其特征在于,包括:
多个信号选择线;
多个输出信号线;以及
多个主动式光感测像素,上述主动式光感测像素的每一个包括:
一双端点光感测晶体管,具有一第一端点耦接于一第一节点、一第二端点耦接于一相应的选择信号线,以及一控制端点连接于上述第一节点;以及
一驱动晶体管,具有一第一端点耦接于一第一参考电压、一第二端点耦接于一相应的输出信号线,以及一控制端点连接于上述第一节点。
7.根据权利要求6所述的主动式光感测阵列,其特征在于,上述主动式光感测像素的每一个还包括一灵敏度调整电容,具有一第一端连接至上述第一节点,以及一第二端连接至一第二参考电压。
8.根据权利要求6所述的主动式光感测阵列,其特征在于,在一曝光及读出周期,上述相应的选择信号线上的电压准位被拉至高于上述第一节点上的电压准位,上述双端点光感测晶体管作为一光敏电阻并根据一入射光而产生一光感测电流,并且上述光感测电流对上述第一节点充电,使得上述驱动晶体管被导通并产生一输出电流至上述相应的输出信号线。
9.根据权利要求8所述的主动式光感测阵列,其特征在于,在接续于上述曝光及读出周期的一重置周期,上述相应的选择信号线上的电压准位被拉至低于上述第一节点上的电压准位时,上述双端点光感测晶体管作为一二极管,并产生一二极管电流,使得上述第一节点被放电并且上述驱动晶体管被截止。
10.根据权利要求6所述的主动式光感测阵列,其特征在于,上述双端点光感测晶体管为N型氢化非晶硅薄膜晶体管。
11.一种光感测方法,其特征在于,应用于一主动式光感测像素,上述主动式光感测像素包括一双端点光感测晶体管,具有一第一端点耦接于一第一节点、一第二端点耦接于一选择信号线以及一控制端点连接于上述第一节点,以及一驱动晶体管,具有一第一端点耦接于一第一参考电压、一第二端点耦接于一输出信号线,以及一控制端点连接于上述第一节点,上述光感测方法包括下列步骤:
在一曝光及读出周期,提供一第一电压准位至上述选择信号线,使得上述双端点光感测晶体管作为一光敏电阻;以及
当上述双端点光感测晶体管接收到一入射光时,产生一光感测电流对上述第一节点充电,使得上述驱动晶体管根据上述第一节点上的电压准位而导通,用以产生一输出电流至上述输出信号线。
12.根据权利要求11所述的光感测方法,其特征在于,还包括提供在接续于上述曝光及读出周期的一重置周期,提供一第二电压准位至上述选择信号线,使得上述双端点光感测晶体管作为一二极管,产生一二极管电流,且根据上述二极管电流,上述第一节点会被放电并且上述驱动晶体管会被截止。
13.根据权利要求11所述的光感测方法,其特征在于,上述第一电压准位高于上述第一节点上的电压准位。
14.根据权利要求11所述的光感测方法,其特征在于,上述第二电压准位低于上述第一节点上的电压准位。
15.根据权利要求11所述的光感测方法,其特征在于,上述双端点光感测晶体管为N型氢化非晶硅薄膜晶体管。
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