CN106601763B - 具有太阳能电池功能的图像传感器及其电子装置 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的用作图像传感器或太阳能电池的单位像素元件包括光电探测器，所述光电探测器驱动由入射到栅极上的入射光所诱发的光电流沿着源极和漏极之间的沟道流动；第一开关，所述第一开关在所述光电探测器的源极端子和第一太阳能电池总线之间导线连接并且被接通或断开；和第二开关，所述第二开关在所述光电检测器的栅极端子和第二太阳能电池总线之间导线连接并且被接通或断开，并且其特征在于产生和供给有效电功率的光能量收集和高效率光电转换的功能。

Description

具有太阳能电池功能的图像传感器及其电子装置
技术领域
本发明涉及一种可以用作太阳能电池的图像传感器和使用所述具有太阳能电池功能的图像传感器的电子装置，特别是涉及一种在通常情况下作为图像传感器，但在必要时通过转换到特定模式用作太阳能电池运行的技术。
背景技术
光能收集通过将光能转换为电能来对现有的电池进行无线充电，是建立物联网(IoT)、泛在传感器网络(USN)、无线传感器网络(WSN)等必然要求的技术，为涉及这些领域的各种电子装置提供半永久的电源供应。
因此，光能收集技术需要微型化和集成化。虽然一些研究已经尝试了通过使用源自CMOS工艺的P-N结光电二极管技术制造类似于集成太阳能电池(ISC)的光能转换装置，以实现将光能转换装置集成到其他电路上的目的，但这种光电二极管显示出低的光电转换效率，，不足以向芯片上的电路提供足够的电能。而且，对于完全整合太阳能电池工艺与标准CMOS工艺而言还有一段很长的路要走。
本发明涉及一种与之相关的方法和技术思想，在注册专利“图像传感器的像素单位及其光电探测器”(US8,569,806B2,US8,610,234B2和US8,669,599B2)的基础上进行改进，以提供一种像素化的集成于芯片上的太阳能电池***(SOC)。为此，对光电探测器和通过标准CMOS工艺制造的像素化太阳能电池的结构以及运行进行描述，并且提出一种这样制造的太阳能电池像素与图像传感器像素共用一个单电池的方法，从而根据需要选择每个功能。
发明内容
技术问题
因此，为了解决上述问题，本发明提供了一种方法，以使配置有高效光电探测器的太阳能电池像素与图像传感器像素共用一个单电池，并根据需要选择两种功能中的任意一种，即作为图像传感器或者作为太阳能电池以产生和存储驱动能量。
技术方案
根据本发明的一个实施方案，一种可以作为图像传感器或者太阳能电池的阵列元件包括：子元件，每个子元件在第一方向上排列两个以上的单位像素元件；和子元件开关，所述子元件开关在子元件之间被接通或者断开，以在第二方向上排列两个以上的子元件，其中子元件包括光电探测器，所述光电探测器驱动由入射到栅极上的入射光所诱发的光电流沿着源极和漏极之间的沟道流动；以及单位像素元件，所述单位像素元件包括第一开关和第二开关，所述第一开关和第二开关将所述光电探测器的端子连接到第一太阳能电池总线和第二太阳能电池总线上。
根据本发明的另一个实施方案，一种可以作为图像传感器或者太阳能电池的阵列元件包括：子元件，所述子元件在第一方向上排列两个以上的单位像素元件；和元件开关，所述子元件开关在所述子元件之间被接通或断开，以在第二方向上排列两个以上的子元件，其中所述子元件包括光电探测器，所述光电探测器驱动由入射到栅极上的入射光所诱发的光电流沿着源极和漏极之间的沟道流动；以及
根据本发明的一个实施方案，一种具有可以作为图像传感器或者太阳能电池的技术的电子装置，包括：图像传感器部，所述图像传感器部包括两个以上的单位像素，所述单位像素能够根据控制信号而用作太阳能电池；和处理器，所述处理器产生控制信号并将控制信号发送给所述图像传感器部，其中每个单位像素包括光电探测器，所述光电探测器驱动由入射到栅极上的入射光所诱发的光电流沿着源极和漏极之间的沟道流动。
有利效果
根据本发明的一个实施方案，提供一种技术，该技术可以用作具有光能收集功能的图像传感器，并且能有效地产生和供应能量。
此外，根据本发明的一个优选实施方案的一种技术可以被制造为易于充分集成到包括图像传感器的相邻电路上，所有电路同样是通过CMOS工艺制造。
附图说明
图1是根据本发明的显示高效光电转换的光电探测器的剖视图；
图2是根据本发明的用于描述光电探测器的高效光电转换机制的剖视图；
图3是根据本发明的用于太阳能电池的光电探测器的剖视图；
图4是根据本发明的用于描述光电探测器的发电机制的剖视图；
图5是根据本发明第一实施方案的光电探测器的Voc获取机制的剖视图；
图6是根据本发明第二实施方案的光电探测器的Voc获取机制的剖视图；
图7根据本发明示出了太阳能电池单位像素的配置；
图8根据本发明第一实施方案示出了像素阵列中的Voc获取机制；
图9根据本发明第二实施方案示出了像素阵列中的Voc获取机制；
图10是根据本发明第一实施方案的图像传感器的单位像素的结构示意图；
图11是根据本发明第一实施方案的太阳能电池的单位像素的结构示意图；
图12是根据本发明第二实施方案的图像传感器的第二单位像素的结构示意图；
图13是根据本发明第二实施方案的太阳能电池的第二单位像素的结构示意图；
图14是根据本发明的图像传感器阵列；
图15是根据本发明的用作图像传感器或者太阳能电池的阵列元件；
图16是根据本发明的用作图像传感器或者太阳能电池的电子装置的框图。
具体实施方式
由于本发明可以有多种变形和多个实施方案，现在参照附图和描述，将对一些具体实施方案进行详细地举例说明。但是，用于实施方案中的结构性和功能性描述，只不过是体现实施方案的范例而已，并且不能被解释为限制本发明在特定模式下实现，而应当被解释为包括在本发明的思想和技术范围之内的所有修改、等同和替换。
相关的、众所周知的细节描述将被省略，这些细节描述应当被判定为将妨碍本发明的意图。本说明书中所提到的那些数字只不过是为了区分某一元件与另一元件的标识符而已，例如第一、第二等。
本发明的一个元件被描述为“连线”、“连接”、“链接”等到其他元件，这应当被解释为该元件可以明确地、直接地与其他元件连线、连接、链接等，或者，这也应当被解释为该元件可以连线、连接、链接等到其他元件与其他元件之间，除非另有相反的规定。
现在将参照附图，对本发明的优选实施方案进行更加具体的描述。
图1是根据本发明的显示高效光电转换的光电探测器的剖视图。
如图1所示，单位像素的光接收装置，其对应于光电探测器，是通过隧道结装置而建立的，而不是通过现有的光电二极管，薄绝缘层夹在两个导体或者两个半导体之间的隧道结装置被定义为利用在绝缘层中产生的隧穿效应而工作的电子元件。为了信息目的，作为一个基于量子力学的术语，隧穿效应是一种粒子移动的现象：具有势能的驱动力发挥其作用，穿过一个区域，该区域的势能大于粒子具有的动能。
本发明的一个实施方案提供了一种方法，以通过这样的光电探测器生产光接收装置和太阳能电池用作单位像素，其中，在说明书和权利要求书中使用的术语“光电探测器”是指通过隧道结装置实现的光接收装置和太阳能电池。光电探测器可以被设置成各种配置，例如包括常见的N-MOSFET或者P-MOSFET。此外，单位装置也可以被设置为使用源自隧穿效应的JFET、HEMT等。
如图1所示，光电探测器100具有PMOS结构。光电探测器100设置在如图1中所指定的P型衬底110上，P型衬底110包括分别对应于普通NMOS的源极和漏极的一个P+扩散层120和另一个P+扩散层130。根据本发明，每一个P+扩散层120、130分别被称为光电探测器的“源极”和“漏极”。
源极120的顶部和漏极130的顶部分别设置有源电极121和与外部节点连线的漏电极131。
N阱115设置在被掺杂到用于光电探测器110的P型衬底110中的N型杂质上。如此设置的N阱构造在被P型杂质掺杂的源极120和漏极上。此外，薄的氧化物层140设置在源极120和漏极130之间，对应于普通MOSFET栅极的被N型杂质掺杂的多晶硅区域设置在氧化物层140的顶部。多晶硅150区域用作光探测器中的光接收元件，因此多晶硅150在下文中被称为“光接收部”。
在氧化物层140上的光接收部150远离源极120和漏极130。隧穿形成于从光接收部150到源极120或者漏极130的途中，氧化物层140的厚度为10纳米或者少于10纳米是优选的，以促进隧穿效应。
在光电探测器100中，金属、光屏蔽层可以覆盖在除了光接收部150顶部以外的区域，这不是普通MOSFET的情况。反之，光电探测器100利用光屏蔽层来限制入射光仅在光接收部上，从而最大限度地提高光电转换效率。
可以通过与制造其他电路所采用的工艺相同的标准CMOS工艺来制造光电探测器100，光电探测器100可以用作集成***的一部分，其对无缝集成和各种应用负责。
图2是根据本发明的用于描述光电探测器100的高效光电转换机制的剖视图。光电探测器100允许光通过光接收部的顶部，然后光产生电子-空穴对(EHP)，从而在光接收部150与源极120或者漏极130之间产生一定的电场。源极电极120和漏极电极131之间的电压应当要达到某一定值，被光隧道从光接收部上激发的电荷通过氧化物层140进入到源极120或者漏极130。凭借电荷遂穿，空穴被耗尽，电子流入光接收部150，从而使电子的电荷量超过空穴的电荷量。电荷量的变化降低了源极120和漏极130之间的沟道160阈值电压，这导致光电流沿着沟道160流动。到目前为止，所描述的技术在已登记的美国专利US8,569,806B2、US8,610,234B2和US8,669,599B2以及还未判决的美国专利US 14/327,549中都有详细的阐述，所有这些专利均由本发明的发明人申请，因此不需要进一步详细的描述。
根据本发明，入射光仅到达光电探测器100的光接收部150的顶部，光接收部对外打开，以允许不同波长的光射入，反过来，取决于光的波长，光被光接收部150吸收，或者穿过光接收部150后到达N阱115的下面或者衬底110的更下面。例如，光接收部150可以具有150纳米或者大于150纳米的厚度，蓝色光或者短波光不能到达衬底100，但是大部分被光接收部150吸收。本发明提供的光电探测器100不同于现有的常规光电探测器，即使任何短波光都被光接收部150吸收，无法到达衬底的下面，由光接收部150吸收的能量引起的光接收部150中电荷量的改变驱动电流沿着沟道，这有利于对短波光的检测，当所有剩余的其他波长的光透过光接收部150时，在光接收部150中产生类似现象，电流沟道的阈值电压也会发生变化。
同时，足以透过光接收部150的波长相对较长的光也在N阱115中产生电子-空穴对(EHP)，从而使电子积累，如图2所示，在N阱115的下面，沟道对阈值电压的变化有影响。根据这样的方法制造的光电探测器100不仅显示了非常高的灵敏度，即使是检测一个光子，也显示了通过微量的光来驱动非常大的电流的性能。因此，本发明的光电探测器100也可以用作图像传感器和太阳能电池。
在这样的新增加太阳能电池功能的光电探测器的基础上，下面将提出用作***芯片(SOC)的太阳能传感器芯片。当PMOS型的配置如图1和2所描述，也可以建立NMOS型的配置和其他相似的配置，所有这些都必须被解释为包括在本发明的权利之内。
图3是根据本发明的用于太阳能电池的光电探测器的剖视图，图4是用于描述光电探测器300的发电机制的剖视图。当用作太阳能电池运行时，光电探测器300包括根据光的吸收而产生的光电流，光电探测器300还产生光伏电动势(Photo Voltaic)。
如图3所示，在光电探测器300中，凭借光被光接收部350吸收，电子隧道通过氧化物层140从源极120和漏极130之间的沟道移动到光接收部350，这改变了光接收部350的整个电荷量。通过测量光接收部350和漏极130之间施加的电压，可以估算由光引起的电流量的变化。而且，在N阱115中积累的电荷可以通过测量漏极130与电极131、W-RST 360的电极361之间的电压来估算。
如图4所示，在光电探测器300中，如果光能大于在制造过程中确定的晶体管的阈值电压，光电流沿着沟道流动。
更具体地是，硅界面最初设计成在建立有沟道160的源极120和漏极130之间具有一个阈值电压，正好低于亚阈值电压，其中，没有入射光照射到光接收部350上，就没有光电流沿着沟道160流动。
当光能大于将电荷与掺杂在光接收部350中的杂质结合的能量时，光接收部中的大量电子和空穴在氧化物层140的任意一侧自由移动，氧化物层140作为屏障，防止在平衡状态中每个类型的电荷穿越到对面侧。在电子和空穴重组之间前，本质上，每个由此产生的电子-空穴对(EHP)在一定时期内作为电子和空穴而存在，并且迁移到集中有电场的区域。
由于硅界面的电位正好低于源极和漏极130之间的亚阈值，电子或者空穴从光接收部350至源极120或者漏极130产生隧道，而且由于电荷量的增加和被照射到光接收部350上的入射光驱动变得密集的电场，这降低了沟道160的阈值电压，反过来，光电流的流动与沟道160的光的数量成正比。
可以通过光接收部350或者N阱115检测驱动光电流的电压。如此测得的电压值范围可以从几毫微安到几微安，这取决于通过N阱115测得的光量，使得电压差范围从0.1到1V。测量到的值不包括暗电流的任何影响，而这样的输出是从3μm或者小于3μm的像素中获得的。因此，通过串联或者并联多个像素来构成和控制像素阵列，可以获得相当大的输出。
图5是根据本发明第一实施方案的光电探测器300的Voc获取机制的剖视图。
如图5所示，应当在源极120和漏极130之间施加一定量的电压，以驱使光电流流动，照射到光接收部350上的入射光改变阈值电压。更长波长的光透过光接收部350，然后被N阱115吸收，并在N阱115中产生一定量的电荷，继而电荷在沟道的界面周围累积，根据相同的原理，这引起在光接收部150中产生电荷。
沿着沟道流动的光电流由电压驱动，电压由在光接收部350和N阱115中产生的电荷量产生。更具体地是，如此驱动的光电流产生VDrain-Gate或者漏极130与光接收部350之间的电压，和VDrain-Wrst或者光接收部350与N阱115之间的电压。因此，通过测量施加在和漏极130连线的端子131与和光接收部350连线的端子351之间的VDrain-Gate值、以及施加在和与漏极350连线的端子131与和N阱115连线的端子361之间的VDrain-Wrst中的任何一个值来获得Voc。
图6是根据本发明第二实施方案的光电探测器300的Voc获取机制的剖视图。
不仅需要大量来自光电探测器300的光电流，也需要大量的Voc，以获得更大的输出。在这点上，如图6所示，如果通过将和光接收部350连线的端子351与和N+扩散层360连线的端子361连接来提高沟道的阈值，较大的电压VDrain-(gate-wrst)可以施加在用于连接光接收部350和N阱115的端子与和漏极130连线的端子351之间，这是由于当N阱115下面的电子移动到N+扩散层360时，电荷量大量增加。
图7根据本发明示出了太阳能电池单位像素的配置，其中，用作像素化的太阳能电池，太阳能电池包括单位像素700。
单位像素700包括光电探测器300，第一开关Ms，第二开关Mg；第三开光Mwr；第四开关Mv，第一太阳能电池总线SCB 1和第二太阳能电池总线SCB 2。光电探测器300沿着源极和漏极之间的沟道产生光电流，光电流由入射到光接收部或者栅极上的光hv驱使。连线在光电探测器300的源极端子和第一太阳能电池总线SCB 1之间的第一开关Ms用于处于接通或者断开状态。接通在光接收部或者栅极(光电探测器300的端子)和第二太阳能电池总线SCB2之间的第二开关Mg用于处于接通或者断开状态。连线在和光电探测器300的N阱或者衬底相连的复位端与第二太阳能电池总线SCB 2之间的第三开光Mwr用于处于接通或者断开状态。掺杂在复位端中的杂质不同于掺杂在源极和漏极中的杂质。参考图3至图6，不同于那些注入到源极和漏极中的P型杂质，复位端Wrst掺杂有N型杂质，不同于那些注入到源极和漏极中的N型杂质，NMOS中的复位端可以掺杂P型杂质，VDD连接至额外的外部***电源，并被左侧安装，以驱动光电探测器300。为此，VDD可以通过第四开关Mv连接至光电探测器的漏极，当在像素外部增加额外电路以消除暗电流时，可以施加VDD的最小值，以使暗电流最小化。
同时，光电探测器300可以使用与相邻电路所使用的电源相同的电源，因为光电探测器300是在与相邻电路的制造工艺相同的工艺中被制造的。在这种情况中，不同于现有的光电探测器，根据本发明的光电探测器300可以被配置为使用相邻电路本身所使用的电源，而不使用任何额外的外部电源。
随着入射光照射在光电探测器300上，光电流在从第一太阳能电池总线SCB 1到第二太阳能电池总线SCB 2的途中流动，同时通过控制第二开关Mg和第三开关Mwr，在第一太阳能电池总线SCB 1和第二太阳能电池总线SCB 2之间获得Voc。
可选地，第二开关Mg和第三开关Mwr可以通过开/关活动连接至外部矩阵，例如行解码器，无论是处于交替模式或是同步时，第二开关Mg和第三开关Mwr可以接通至第二太阳能总线SCB 2。第二开关Mg和第三开关Mwr被制造为应当同时连接至外部矩阵，这与光电探测器300的光接收部和N阱分别与第二太阳能总线SCB 2连接相比，可以获得Voc的较大值，如图6所示，
图8根据本发明第一实施方案示出了像素阵列中的Voc获取机制。像素阵列800包括子元件810，每个子元件810在第一方向上阵列有一个或者多个单位像素元件700；和子元件开关820，子元件开关820在子元件810之间被接通或者关闭，以在第二方向上阵列两个或者两个以上子元件810，如图7所示，其中，子元件810包括光电探测器300，在照射到栅极上的入射光的驱使下，光电探测器300使光电流在源极和漏极之间流动；和单位像素元件700，单位像素元件700包括第一开关Ms和第二开关Mg，单位像素元件700将光电探测器300的接线端连接到第一太阳能电池总线SCB 1和第二太阳能电池总线SCB 2。此外，单位像素元件700可以包括将光电探测器300连接至第二太阳能电池总线SCB 2的第三开关Mwr。
子元件开关820用于使第一子开关810的第二太阳能电池总线SCB 2和第二子开关830的第一太阳能电池总线SCB 1之间处于接通或者断开状态。
在像素阵列800的单位像素700中获取的Voc被定义为在漏极和栅极或者漏极和N阱之间获得的开路电压，如果通过调整像素之间的连接，像素以这样的阵列方式排列，可以获取Voc的较大值。与Voc相同的值V1被施加到每两个相邻的列之间，对于Voc来说，串联的n列使整个输出Voc nV1具有非常重要的价值。如图8所示，SCB线可以串联，每个SCB线排布在每两个列之间，通过控制子元件开关820，以输出每列电压的总和。因此，考虑到合适的Voc值是通过控制子元件开关820确定的，可以调整输出。
图9根据本发明第二实施方案示出了像素阵列中的Voc获取机制。如图8所示，除子元件810和子元件开关820之外，像素阵列900还包括第一控制部910。第一控制部910向多个单位像素元件的第一开关和第二开关发出独立的控制信号，然后将独立的控制信号传送给像素阵列900中的每个单位像素，第一控制部910可以表示为解码器和矩阵控制器，那么第一控制部910解码从处理器传送过来的控制信号，然后将解码后的控制信号传送至每个单位像素。
在将第三子元件940和第四子元件950添加至现有的第一子元件810和第二子元件830的情况下，通过将第一子元件810和第二子元件830接通至第一子阵列开关820和内部总线SCB，同时通过将第三子元件940和第四子元件950接通至第二子阵列开关960和内部总线SCB，第二控制部920产生控制信号并将控制信号传送至每个子元件，以使第一子元件810和第三子元件940与第二子元件830和第四子元件950共享第一太阳能电池总线SCB 1和第二太阳能电池总线SCB 2。因此，通过将对应于两个纵列的第一子元件810和第二子元件830连接至内部总线SCBs，可以获得双倍量的Voc，通过第一太阳能电池总线SCB 1和第二太阳能电池总线SCB 2检测由光诱导的光电流和Voc。
按照相同的方式，通过将对应于两个纵列的第三子元件940和第四子元件950连接至内部总线SCBs，可以获得双倍量的Voc，通过第一太阳能电池总线SCB 1和第二太阳能电池总线SCB 2检测由光诱导的光电流和Voc，光电流和Voc可以存储在构成单位像素元件700或者外部电池的芯片的电容中。
而且，第一控制部910可以选择性地指定像素元件，当电容或者电池充满足够量的电力时，有助于光电转换和自动中断电压的产生。需要明确的是，第一控制部910和第二控制部920可以通过单一的物理控制部和电子装置中的处理器来建立。
图10是根据本发明第一实施方案的图像传感器的单位像素的结构示意图。单位像素1000配有选择器件SEL，其连接至光电探测器300，而单位像素1000可经由列总线CB连接至图像传感器，该图像传感器包括作为直流电压转换电路的IVC电路1010，其中SEL可以构建为例如MOSFET结构的形式，以及其他不同器件。在这样的情况下，光电检测器300和SEL二者在MOSFET制程中同时制造，这有利于制造便利和降低成本。
当SEL接通时，在单位像素1000的光电探测器300中光电转换的光电流开始在IVC电路1010的电容器1015中累积，存储在电容器1015中的光电流将被作为电压输出，其量为IVC_OUT并且其信号被传送到包括CDS(共双采样)的电路。当选择器件SEL接通时，如果BUS_RST接通，则列总线CB和光电检测器300以及在IVC电路1010中的电容器1015被直接连接到接地部GND，释放累积的电荷并重置信号。图像传感器所需要的积分时间可通过前述的这些活动来限定。
图11是根据本发明第一实施方案的太阳能电池的单位像素的结构示意图。单位像素1100是太阳能电池，其中已经实现了图10所示的1T型图像传感器的单位像素1000。为此目的，作为太阳能电池的单位像素1100可以利用图10所示的图像传感器，通过添加第一太阳能电池总线SCB 1和第二太阳能电池总线2SCB 2以及开关S1和S2来建立。
更具体地，单位像素1100包括光电探测器300，其产生被栅极的入射光驱动沿源极和漏极之间的沟道移动的光电流；第一开关S1，其连接光电探测器300的栅极端子和第一太阳能电池总线SCB 1，连通或断开；以及选择器件SEL，其连接光电探测器300的源极端子和第二太阳能电池总线SCB 2，以将光电流输出像素输出端子1010，其中像素输出端子1010对应于图10和11中所示的IVC电路1010，而单位像素1100可以另外包括第二开关S2，其连接选择器件和像素输出端子1010，连通或断开。通过光电流和Voc产生电功率，Voc是在第一太阳能电池总线SCB 1和第二太阳能电池总线SCB 2之间通过经由第一开关S1连接第一太阳能电池总线SCB 1和光电检测器300的栅极以及利用经由第二开关S2利用图10所示的列总线CB作为第二太阳能电池总线SCB 2来获得的。换言之，无论是图像传感器或太阳能电池都可以如前述通过连通或断开第一开关S1和第二开关S2来选择性地操作，其中当第一开关S1连通，同时选择器件SEL或第二开关S2断开时，单位像素1000作为太阳能电池工作，而当第一开关S1断开，同时第二开关S2连通时，单位像素1000作为图像传感器工作。
此外，像素输出端子1010包括电容器1015，其连接第二太阳能电池总线SCB 2和接地部GND并且存储光电流，还包括复位器件BUS_RST，其导线并联到电容器1015并将第二太阳能电池总线SCB 2和接地部GND连接。
图12是根据本发明第二实施方案的图像传感器的第二单位像素的结构示意图。第二单位像素1200还包括复位器件RST，其连线到光电检测器300的阱，如图10所示除了已有的光电探测器300和选择器件SEL之外。单位像素1200可以通过将每列单位像素与IVC电路1010连线而作为图像传感器工作。当选择器件连通时，在光电检测器300中光电转换的光电流被存储在IVC电路1010的电容器1015中。由此存储在电容器1015中的光电荷将作为电压输出，该输出量为IVC-OUT，并且其信号被传送到包括CDS的电路。
当选择器件SEL被接通时，如果_RST接通，则列总线SC和光电检测器300以及IVC电路1010中的电容器1015被直接连接到接地部GND，释放出累积的电荷并且重置信号。
当信号不经由光电检测器300无缝重置或以手动调节当前沟道的阈值电压时，可以使用复位器件RST。复位器件RST也可以用于在无延迟的高帧速率等情况下专门获取图像。
图13是根据本发明第二实施方案的太阳能电池的第二单位像素的结构示意图。第二单位像素1300是太阳能电池，其中已经实现有图12所示的2T型图像传感器的单位像素1200。第二单位像素1300包括光电检测器300，其驱动由栅极的入射光引起的光电流在沿源极和漏极之间的沟道中流动；第一开关S1，其连接光电检测器300的栅极端子和第一太阳能电池总线SCB 1，接通或断开；第二开关S2，其连接光电探测器300的复位端子和第一太阳能电池总线SCB 1，接通或断开；选择器件SEL，其连接光电探测器300的源极端子和第二太阳能电池总线SCB 2以将光电流输出像素输出端子1010；以及另外的复位装置RST，其连线到光电检测器300的阱，其中复位端子RST掺杂有与源极和漏极中的掺杂杂质不同的杂质。
此外，第二单位像素1300还可以包括第三开关S3，其连线选择器件SEL与像素输出端子1010，接通或断开。当第一开关S1或第二开关S2接通，而第三开关断开时，单位像素作为太阳能电池工作；当第一开关S1和第二开关S2断开，而第三开关S3接通时，单位像素作为图像传感器工作。第一开关S1和第二开关S2可以同时接通以获得更大的Voc量。
像素输出端子1010包括电容器1015，其连线第二太阳能电池总线SCB 2和接地部GND，存储光电流；以及复位器件BUS_RST，其连线第二太阳能电池总线SCB 2和接地部GND，并且导线并联连接到电容器1015，根据其构造，由光电流和Voc产生电功率，Voc在第一太阳能电池总线SCB 1与第二太阳能电池总线SCB 2之间获得。
图14是根据本发明的图像传感器阵列。图像传感器阵列1400用作高灵敏度的图像传感器，此时行译码器和矩阵控制器1410以及列解码器和矩阵控制器1420将在每一列单位像素1000、1200中光电转换的光电流传输到IVC电路阵列1300，其中IVC电路的列沿平行于列的方向设置，而IVC电路阵列1430将光电流转换为电压信号并传输电压信号至CDS等，根据其配置，可以建立高灵敏度、高速率的图像传感器。此外，单位像素可以由PPS技术来实现，但在这样的情况下，在行译码器选择像素之前不会开始集成，这是因为与像素中的光接收器件的输出电流相比，寄生电容效应是无穷小量或者是不存在的，这解释了该技术与现有的APS技术的CIS单位像素相区别的主要不同之处。因此，高帧频图像传感器可通过在改进的滚动快门技术中对序号进行多重处理来配置。光信号也可以经由列并行技术以及滚动快门技术来传输。
由于单位像素分别在结构和尺寸方面非常简单及小巧，所以可以获取帧频范围500至10000fps的图像，如同采用常用的全局快门一样，通过在单位像素中设置电容器，从而在模拟存储器中同时存储数据和高速读取数据。
目前为止，通过根据本发明的多个实施方案例举了图像传感器的单位像素和作为包括单位像素的矩阵的图像传感器。根据本发明实施方案的单位像素二维排列，而单位像素可被布置在阵列中，以构成一帧，在现有的VGA、HD或全HD格式中，包括640×480、1280×720，1920×1080等，或者4K UHD包括3840×2160、4096×2160等，或8K UHD包括7680×4320。
在本发明提供的单位像素中的光电流比现有光电二极管中的光电流更大，这种更大的光电流是基于前述结构所导致的，这是因为与现有光电二极管技术的不同在于仅通过储存在静电电容器中的电荷量来区别明暗，本发明提供的单位像素由于电荷量的变化来控制电流沿源极-漏极沟道流动，这是由于光接收区入射光引起的场效应以及同时经由漏极接收电荷，其本身放大信号。
图15是用作根据本发明的图像传感器或太阳能电池的阵列元件。阵列元件1500包括子元件1501，其中两个以上的单位像素元件布置在第一方向上；以及子元件开关1502，其连线子元件并接通或断开子元件，以将子元件布置在第二方向上，其中如图11和13所示，子元件1501包括：光电检测器300，其生成沿源极和漏极之间的沟道流动的光电流；多个开关S1-S3及SEL，其连接光电检测器的端子与第一太阳能电池总线和第二太阳能电池总线；以及单位像素元件1100、1300，其包括像素输出端子1010，其连线到第二太阳能电池总线并且通过电压存储光电流。
子元件开关1502可以在第一子元件1501的第二太阳能电池总线SCB 2和第二子元件1503的第二太阳能电池总线SCB 2之间连线并且接通或断开；或者如图8和9中所示，在第一子元件1501的第二太阳能电池总线SCB 2和第二子元件1503的第二太阳能电池总线SCB2之间连线并且接通或断开。
阵列元件1500还可以包括第一控制部1510，其对两个以上的单位像素元件中的多个开关S1-S3及SEL产生各自信号，其中如图13所示，第一开关S1在光电检测器300的栅极端子和第一太阳能电池总线SCB 1之间连线并且接通或断开；以及选择器件SEL在光电检测器300的源极端子和第二太阳能电池总线SBC 2之间连线，以输出光电流，从而被诱导至像素输出端子1530。同时，光电检测器300还可包括第二开关S2，其在光电检测器300的复位端子和第一太阳能电池总线SCB 1之间连线并且接通或断开；和/或第三开关S3，其在选择器件SEL和像素输出端子1010之间连线并且接通或断开，其中复位端子掺杂有与在源极和漏极中掺杂的杂质不同的杂质。
此外，第一子元件1501和第二子元件1502可以共享第一太阳能电池总线SCB 1和第二太阳能电池总线SCB 2，从而根据需要产生光伏电动势。因此，如图11或图13所示，第一太阳能电池总线SCB 1、第二太阳能电池总线SCB 2和多个开关可嵌入在阵列元件1500，以使所述图像传感器阵列的图像传感器1400转换成太阳能电池。换言之，由于图像传感器与太阳能电池共享单个光电检测器，所以电功率生产和图像采集根据需要依次进行。实际上，因为应用于根据本发明的像素化CMOS太阳能电池上的光电检测器可以按照标准CMOS制程制造，所以这有利于光电检测器在单个芯片中与相邻电路进行集成。
图16是用作根据本发明的图像传感器或太阳能电池的电子装置的框图。该电子装置1600是指图像获取设备，包括如数码相机、闭路电视等，以及其他不同种类的设备，如智能电话、平板电脑、电视等，其特征在于图像采集的功能。电子装置1600包括图像传感器部1610，其包括可根据控制信号用作太阳能电池的多个单位像素；处理器1620，其生成控制信号并发送控制信号到图像传感器部1610；电池1630，其从已充电的图像传感器部1610获得电功率；以及电功率IC 1640，其从已充电的图像传感器部1610或电池1630获得电功率，其中每个单位像素包括产生光电流的光电检测器，光电流通过栅极入射光诱导产生，沿源极和漏极之间的沟道流动。
同时，如果不存在图像传感器部1610用作图像传感器的情况，则处理器1620将控制信号发送到图像传感器部1610，使得图像传感器部1610可以用作太阳能电池。
此外，电子装置1600还可以包括环境光传感器1650，用于收集环境光，如果光的强度超过一定值时，则向处理器1620提供环境光信息，使得处理器1620产生控制信号。
此外，如图7所示，每个单位像素还可以包括第一开关S1，其在光电检测器300的源极端子和第一太阳能电池总线SCB 1之间连线并且接通或断开；以及第二开关S2，其在光电检测器300的栅极端子和第二太阳能电池总线SCB 2之间连线并且接通或断开。
再者，参考图11，每个单位像素还可以包括第一开关S1，其在光电检测器300的栅极端子和第一太阳能电池总线SCB 1之间连线并且接通或断开；以及选择器件SEL，其在光电检测器300的源极端子和第二太阳能电池总线SCB 2之间连线并且接通或断开，并且将光电流输出像素输出端子1010。
为此目的，图像传感器部1610可以作为像素化CMOS太阳能电池(PCSC)，并且通过标准CMOS制程制造在单个芯片中，其中还嵌入图像传感器，同时实现微型化和低功率消耗。而且，图象传感器部1610产生的电功率可以存储在电池1630中，例如蓄电池，使得电功率IC1640可以在没有单独的外部电源的情况下根据需要获得电功率供给。
以上描述只是本发明的示例，本发明所属技术领域的普通技术人员可以在既不偏离技术思想也不偏离本发明的必要特征的情况下，对这些示例进行修改和改进。
就此而言，在本说明书中给出的实施方案必须被解释为举例说明，而不是限制本发明的技术思想。根据本发明的一个实施方案作为单一的、集成的组件的每个元件例如可以被分成待实施的多个元件，而作为多个非集成组件的元件可以被组合成单一的、集成的组件来实施。
本发明的范围应在说明书所附的权利要求书的基础上进行解释。说明书的权利要求书的含义和范围以及从等同于权利要求书思想的思想中导出的修改和变化必须包括在本发明的范围之内。

Claims (18)

1.一种阵列元件，用作图像传感器或太阳能电池，包括：
子元件，每个子元件在第一方向上排列两个以上的单位像素元件；和
子元件开关，所述子元件开关在子元件之间接通或者断开，以在第二方向上排列两个以上的子元件，
其中，子元件包括光电探测器，所述光电探测器驱动由入射到栅极上的入射光所诱发的光电流沿着源极和漏极之间的沟道流动；和单位像素元件，所述单位像素元件包括第一开关和第二开关，所述第一开关在光电检测器的源极端子和第一太阳能电池总线之间连线并且被接通或断开，所述第二开关在光电检测器的栅极端子和第二太阳能电池总线之间连线并且被接通或断开。
2.根据权利要求1的阵列元件，其中所述子元件开关在第一子元件的第二太阳能电池总线和第二子元件的第一太阳能电池总线之间连线。
3.根据权利要求1的阵列元件，还包括控制部，所述控制部产生用于在多个所述单位像素元件中的所述第一开关和第二开关的各自控制信号。
4.根据权利要求1的阵列元件，其中布置在第二方向上的子元件共享第一太阳能电池总线和第二太阳能电池总线。
5.一种阵列元件，用作图像传感器或者太阳能电池，包括：
子元件，所述子元件在第一方向上排列两个以上的单位像素元件；和
子元件开关，所述子元件开关在所述子元件之间接通或断开，以在第二方向上排列两个以上的子元件，
其中，所述子元件包括光电探测器，所述光电探测器驱动由入射到栅极上的入射光所诱发的光电流沿着源极和漏极之间的沟道流动；单位像素元件，所述单位像素元件包括第一开关和第二开关，所述第一开关在所述光电检测器的源极端子和第一太阳能电池总线之间连线，所述第二开关在所述光电探测器的栅极端子和第二太阳能电池总线之间连线；以及单位像素输出端子，所述单位像素输出端子连线至所述第二太阳能电池总线并且通过电压利用光电流对所述第二太阳能电池总线充电。
6.根据权利要求5的阵列元件，其中所述子元件开关在第一子元件的第二太阳能电池总线和第二子元件的第一太阳能电池总线之间连线。
7.根据权利要求5的阵列元件，还包括控制部，所述控制部产生用于在多个所述单位像素元件中的第一开关和第二开关的各自控制信号。
8.根据权利要求5的阵列元件，其中布置在第二方向上的子元件共享第一太阳能电池总线和第二太阳能电池总线。
9.根据权利要求5的阵列元件，其中所述第一开关在所述光电检测器的栅极端子和所述第一太阳能电池总线之间连线并且被接通或断开。
10.根据权利要求5的阵列元件，其中所述第二开关在所述光电检测器的源极端子和所述第二太阳能电池总线之间导线连接，以将光电流输出所述像素输出端子。
11.根据权利要求5的阵列元件，其中所述光电检测器还包括第三开关，所述第三开关在所述第二开关和所述像素输出端子之间连线并且被接通或断开。
12.根据权利要求5的阵列元件，其中所述光电检测器还包括第四开关，所述第四开关在所述光电检测器的复位端子和所述第一太阳能电池总线之间连线并且被接通或断开。
13.根据权利要求12的阵列元件，其中所述复位端子掺杂有与在源极和漏极掺杂的杂质不同的杂质。
14.一种电子装置，用作图像传感器或者太阳能电池，包括：
图像传感器部，所述图像传感器部包括两个以上的单位像素，所述单位像素能够根据控制信号而用作太阳能电池；和
处理器，所述处理器产生控制信号并将控制信号发送给所述图像传感器部，
其中，每个单位像素包括光电探测器，所述光电探测器驱动由入射到栅极上的入射光所诱发的光电流沿着源极和漏极之间的沟道流动；
其中每个单位像素还包括：
第一开关，所述第一开关在光电检测器的源极端子和第一太阳能电池总线之间连线并且被接通或断开；和
第二开关，所述第二开关在光电检测器的栅极端子和第二太阳能电池总线之间连线并且被接通或断开。
15.根据权利要求14的电子装置，其中当不存在所述图像传感器部用作图像传感器的事件时，所述处理器发送控制信号到所述图像传感器部。
16.根据权利要求14的电子装置，还包括电池，所述电池从已充有电功率的图像传感器部获得电功率供给。
17.根据权利要求16的电子装置，还包括电力IC，所述电力IC从已充有电功率的图像传感器部或从所述电池获得电功率供给。
18.根据权利要求14的电子装置，还包括环境光传感器，所述环境光传感器收集环境光，然后当光的强度超过一定值时，向所述处理器提供环境光信息，使得所述传感器产生控制信号。
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