CN107768390A - 图像探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种图像探测器。所述图像探测器包括由多个像素组成的像素阵列，各个像素包括：光电二极管组，包括至少两个首尾相连的光电二极管，光电二极管组的第一端连接至第一固定电位；复位晶体管，其栅极连接至第二扫描信号线，其源极连接至光电二极管组的第二端；放大晶体管，其栅极连接至光电二极管组的第二端，其漏极连接至外部电源；输出晶体管，其栅极连接至第一扫描信号线，其漏极连接至放大晶体管的源极，其源极连接至输出信号线。本发明提供的图像探测器通过在一个像素中设置多个串联连接的光电二极管，降低了探测节点的总电容，放大了像素输出信号电压的幅度，进而提高了图像探测器的输出信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种具有像素电路的输出信号放大功能和光电变换电压的倍增效果的图像探测器。
背景技术
近年来，由于主动式薄膜晶体管阵列液晶显示器AMLCD(Active Matrix LiquidCrystal Display)技术的成熟和大规模的产业化，将大面积的薄膜晶体管和功能性薄膜的技术应用到许多不同的领域已经成为现实。尤其是将其应用到普通玻璃透镜系统无法偏转和聚焦的X射线的图像探测器上更是主动式薄膜晶体管(TFT-Thin Film Transistor)阵列技术最为成功的应用拓展。采用薄膜晶体管阵列技术，可以在一个较大面积的基板上，淀积各种半导体薄膜并对其做P型或者N型导电的掺杂以及调整其电学和光学性能以便满足不同的应用要求，此处基板可以是成本较低的透明的玻璃基板或者不锈钢基板，甚至可以是采用有机薄膜的柔性或可挠性基板。
基于上述薄膜晶体管阵列技术，可以形成两种平板式X射线图像探测器。第一种为非直接探测式图像探测器。例如，在上述基板上制成的TFT像素阵列之上，淀积上一层光电变换薄膜比如氢化非晶硅二极管薄膜，并且覆盖上一层能够将X射线转换成可见光的材料比如荧光膜(phosphors)或者闪烁膜(scintillattor),就可以制成一个大面积的平板式X射线图像探测器。这种所谓间接探测型(in-direct detection)的平板式X射线图像探测器相比于传统的X射线感光胶片以及CCD摄像机聚焦荧光板的方式，其巨大的优越性在于采集图像的瞬时性、完全数字化图像、体积的小型化和高灵敏度带来的对于患者的较低曝光量。相对于上述的非直接探测式，第二种探测器则是直接探测式(direct detection)图像探测器。在这种探测器里面，不使用将X射线转换成可见光的荧光膜或者闪烁膜，而是使用将X射线直接转换成电子或空穴的半导体光电导薄膜，比如非晶硒(a-Se)或者氧化铅(PbO)等半导体薄膜材料。所述直接探测型平板式X射线探测器不仅结构简单，而且没有荧光膜或者闪烁膜内的光线的扩散和散射，也就没有图像解像度的衰减，从而可以获得更加清晰和高精细的图像。然而直接探测型图像探测器带有薄膜的厚度较大导致的驱动电压过高的缺点。上述平板式图像探测器的每个像素一般都是由一个光电变换单元和一个输出信号电荷的开关TFT组成的，而没有任何信号放大和噪声处理功能。微量的光生信号电荷在通过很长的信号线传送到外部放大器的路途中，信号线的热噪声、开关晶体管的漏电流噪声和开关TFT的噪声都会混入其中，使得外围电路中的任何提高信噪比的努力都对此无济于事。此处信号线的热噪声指的是连接每个像素的输出信号线上的分布电阻的热噪声。
如果能够在图像信号传送到外电路之前，将微量的光生信号在像素内放大后，以电流或者电压的形式输出，在信号线的热噪声和其他噪声不变的情况下，就可以显著提高图像信号的信噪比，探测信号的极限就不再受限于信号传输过程中的，甚至外围预放大和处理电路的噪声。具体应用到图像探测器的立体结构，可以将放大和信号处理电路部分做在基板上，光电变换部分则可以覆盖在其上，并且可以根据应用灵活地采用不同材料的半导体薄膜覆盖在基板上的方式，从而在光谱响应上，空间安排上不冲突并可以各自达成最大效能。图像探测器的像素内具有放大和信号处理功能的器件，其近年来统称为APS(Active Pixel Sensor，有源像素传感器)。
图1和图2所示的是两种上述平板式X射线图像探测器的像素电路，其中图1是包括一个光电二极管和一个开关TFT的最为简单的像素电路，其中，N1是输出晶体管，PD是光电二极管，Data1和Data2分别为读出不同像素的输出信号的数据线。图2是一个典型的包括三个晶体管和一个光电二极管的APS型像素电路。其中晶体管M1是读出或复位晶体管，M2是放大晶体管，M3是选通晶体管，PD是光电二极管，Vout1为该像素的输出信号线。图1和图2中的Scan1和Scan2分别为第一扫描线和第二扫描线。在图2的具有放大功能的像素电路内，光电变换单元的功能不再是将光子转换为电子然后通过开关输出到信号线上，而是将光生电子在内部的存储电容上转换为信号电压。该信号电压被施加在放大晶体管的栅极上，当像素的输出开关打开时，读出放大晶体管的沟道电流或者电压。所以当信号电荷量不变时，探测节点的总电容越小，信号电压就越高。
通常使用的光电二极管是由氢化非晶硅a-Si:H薄膜制成的，其相对介电常数大约在12.9。如果光电二极管中的薄膜厚度大约在2.0微米，单位面积的电容大约为5.8nF/cm2，对于一个100微米×100微米的非晶硅二极管来说，其电容就是0.58pF，再加上放大晶体管的栅极电容和复位晶体管的源极电容，探测节点的总电容就可能会超过0.8pF。根据上面所述的，当信号电荷量不变时，探测节点的总电容越大，信号电压就越低，对于光电二极管的输出信号的放大效果也就越差，其信噪比往往比较难以达到要求。
发明内容
根据通常对于MOS晶体管的源极和漏极的物理定义，比如对于NMOS来说，沟道载流子为电子，所以严格来说应该将电位较低的一端称为源极，意味着载流子的来源，电位较高的一端称为漏极，意味着载流子由此漏出。然而由于本发明中使用的光电二极管的极性有两种选择，而像素内的晶体管也可以全部由NMOS晶体管，或者全部由PMOS晶体管来担当，也可以使用混合NMOS晶体管和PMOS晶体管的像素电路，所以为简明起见，后续在不影响到对于发明内容和实施例的说明的情况下，将不再拘泥于上述载流子流向的物理意义来命名源极和漏极。然而有一定电子或半导体知识的专业人士应该理解，各种可能的源极和漏极对调的连接方式，以及像素内NMOS和PMOS晶体管的对换，都是在本发明的概念范围之内的。
涉及到本发明中提到的光电二极管的连接方式，为了简便起见在这里定义，所谓光电二极管的首尾相连，指的是一个光电二极管的阳极连接到另外一个光电二极管的阴极的连接方式。
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种图像探测器，克服上述的现有技术中的困难，通过改变光电二极管的设置方式以及驱动方法，来放大像素输出信号电压的幅度，从而最终提高输出图像信号的信噪比。
根据本发明的一个方面，提供一种图像探测器，所述图像探测器包括由多个像素组成的像素阵列，各个所述像素包括：光电二极管组或链条，包括至少两个首尾相连的光电二极管，所述光电二极管组的第一端连接至第一固定电位；第一复位晶体管，其栅极连接至第二扫描信号线，其源极连接至所述光电二极管组的第二端，其漏极连接至第二固定电位；放大晶体管，其栅极连接至所述光电二极管组的第二端，其漏极连接至第二固定电位；输出晶体管，其栅极连接至第一扫描信号线，其漏极连接至所述放大晶体管的源极，其源极连接至输出信号线。
可选地，各个所述像素还包括至少一个第二复位晶体管，其源极连接至所述光电二极管组中相邻两个光电二极管之间的节点，其漏极连接至外部的第三固定电位上，该第二复位晶体管在开启时将该节点的电位强行拉回到所述外部的第三固定电位。
参照图9，为了保证串联在一起的光电二极管有着基本相同的偏置电压，复位后所述光电二极管组中任意两个光电二极管的偏置电压的差值将小于平均电压的30％，其中平均电压等于(VPD-VDD)/N，其中VPD为施加在光电二极管上的所述第一固定电位，VDD为所述第二固定电位，N为像素内首尾相连在一起的光电二极管的数目。
参照图14，可选地，各个所述光电二极管为PIN型光电二极管；所述PIN型光电二极管的剖视图中包括：第二导电层，包括各个光电二极管的第二电极；半导体层，位于所述第二导电层的入射光一侧，所述半导体层包括N型导电的掺杂半导体层、基本不掺杂的本征半导体层和P型导电的掺杂半导体层，所述半导体层至少部分覆盖所对应的第二电极；第一导电层，位于所述半导体层的入射光一侧，所述第一导电层包括各个光电二极管的第一电极，各个所述第一电极至少部分覆盖所述半导体层。
参照图14，可选地，在所述图像探测器的剖视图中，各个所述像素还包括：第二绝缘层，位于所述第二导电层的入射光一侧，所述第二绝缘层部分覆盖所述光电二极管的第二电极；第一绝缘层，位于所述第一导电层的入射光一侧，所述第一绝缘层中开设有第一过孔和第二过孔，所述第一过孔连通至一个光电二极管的第一电极，所述第二过孔连通至相邻光电二极管的第二电极；金属连接层，其通过所述第一过孔和第二过孔连接该第一过孔下的光电二极管的第一电极和相邻光电二极管的第二电极。
可选地，所述放大晶体管的栅极形成于所述第二导电层，且所述放大晶体管的栅极连接至所述光电变换链条中最后一个光电二极管的第二电极。
可选地，所述像素内的所有晶体管都为NMOS管或都为PMOS管；所述输出晶体管的栅极连接到所述第一扫描线，所述第一和第二复位晶体管的栅极连接至所述第二扫描线，顺序扫描的结果为，先输出信号电压或信号电流，然后对放大晶体管的栅极电位做复位处理。
可选地，所述像素内的晶体管中一部分为PMOS管，且其他部分为NMOS管；所述输出晶体管的栅极连接到所述第一扫描线，所述第一和第二复位晶体管的栅极连接至所述第二扫描线，顺序扫描的结果为，先输出信号电压或信号电流，然后对放大晶体管的栅极电位做复位处理。
可选地，所述图像探测器由像素阵列做组成，所述像素还包括至少一条驱动放大晶体管的电源线、至少一条向光电二极管组施加电压的外部电源线，一条输出信号线，一条复位用扫描线和一条输出用扫描线。其中复位用扫描线兼用做下一行像素的输出用扫描线。
可选地，所述图像探测器各像素的所有电源线和所有信号线平行排列，并和所有扫描线呈垂直相交。
可选地，所述图像探测器各像素的所有电源线和所有扫描线平行排列，并和所有信号线呈垂直相交。
可选地，所述第一和第二复位晶体管、放大晶体管和输出晶体管分别为薄膜晶体管，所述薄膜晶体管包括采用非晶硅材料、多晶硅材料或铟、镓、锌、锡金属的氧化物材料的半导体薄膜。
可选地，所述第一和第二复位晶体管包括两个串联连接的薄膜晶体管，各个所述薄膜晶体管采用非晶硅材料、多晶硅材料或铟、镓、锌、锡金属的氧化物材料的半导体薄膜。
可选地，所述光电二极管组中，任意两个光电二极管的有效受光面积的差值小于任一光电二极管的有效受光面积的50％。
可选地，所述光电二极管组的第一端连接至所述信号输出线，所述第一固定电位为所述信号输出线的电位。
可选地，所述光电变换组或链条中第一个光电二极管的阳极作为所述光电二极管组的第一端，所述光电变换链条中最后一个光电二极管的阴极作为所述光电二极管组的第二端；或
所述光电二极管组或链条中第一个光电二极管的阴极作为所述光电二极管组的第一端，所述光电变换链条中最后一个光电二极管的阳极作为所述光电二极管组的第二端。
可选地，沿电磁辐射的入射方向上，所述图像探测器依次包括：
碳纤维等轻材料合成的具有一定刚性的保护壳层；
薄膜铝等材料的可见光反射层，用于将可见光反射至所述像素阵列；
电磁辐射转换层，包括将不可见的电磁辐射转换成可见光的闪烁膜或荧光膜，特别包括采用碘化铯材料或稀土金属钆的化合物材料的闪烁体；
氮化硅或氧化硅或交替叠加组成的阻隔空气和水汽的绝缘钝化层；
像素阵列层，包括所述像素阵列，所述电磁辐射转换层转换得到的可见光经所述可见光反射层反射后射入所述像素阵列的光电二极管；
信号读出芯片或薄膜电路，以及扫描芯片或薄膜电路，包括由薄膜晶体管组成的直接成膜在基板上的移位寄存器一类电路结构的扫描电路；
薄膜晶体管和电容以及电极组成的静电保护电路；
玻璃、不锈钢或有机材料的可弯曲的基板。
有鉴于此，本发明的图像探测器通过改变光电二极管的设置方式，在一个像素中将原有的单个光电二极管分割为两个或更多个，并将其首尾相连组成光电二极管组或链条，像素内的所有光电二极管接受的总的光子能量并未有明显减少但是串联在一起形成的光电二极管组的电容却变为近似于四分之一或更小，从而显著降低了探测节点的总电容，提高像素输出电压的放大幅度，进而提高像素输出信号的信噪比。本发明不仅可以应用于X射线、γ射线等高能量电磁辐射的图像检测，还可以应用于其他可见光或非可见光的图像检测。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为现有技术中一图像探测器的像素电路图；
图2为现有技术中另一图像探测器的像素电路图；
图3为本发明一实施例的图像探测器的像素电路图；
图4为图3中光电二极管组的等效电路图；
图5为图3中光电二极管组的能带分布图；
图6为将图3中的光电二极管极性反转后的像素电路图；
图7为将图3中的NMOS晶体管更换为PMOS晶体管后的像素电路图；
图8为将图7中的光电二极管极性反转后的像素电路图；
图9为本发明一实施例的增加第二复位晶体管的图像探测器的像素电路图；
图10为将图9中的光电二极管组极性反转后的像素电路图；
图11为将图3中的光电二极管组连接至输出信号线后的像素电路图；
图12为将图11中的光电二极管组极性反转后的像素电路图；
图13为本发明一实施例的图像探测器的像素电路的俯视图；
图14为本发明一实施例的图像探测器的光电二极管组的剖视图；
图15为本发明一实施例的图像探测器的光电二极管组和第一复位晶体管的剖视图；
图16为本发明一实施例的图像探测器的光电二极管组和放大晶体管的剖视图；
图17为本发明一实施例的图像探测器的剖视图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。
所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员应意识到，没有特定细节中的一个或更多，或者采用其它的方法、组元、材料等，也可以实践本发明的技术方案。在某些情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明。
为了解决现有技术的缺点，本发明提供一种图像探测器，包括由多个像素组成的像素阵列，各个所述像素包括：光电二极管组，包括至少两个首尾相连的光电二极管，所述光电二极管组的第一端连接至第一固定电位；第一复位晶体管，其栅极连接至第二扫描信号线，其源极连接至所述光电二极管组的第二端，其漏极连接至第二固定电位；放大晶体管，其栅极连接至所述光电二极管组的第二端，其漏极连接至第二固定电位；输出晶体管，其栅极连接至第一扫描信号线，其漏极连接至所述放大晶体管的源极，其源极连接至输出信号线。如图3所示，为本发明一实施例的图像探测器的像素电路图，其中示出了一个像素中的电路元件以及连接关系。在该实施例中，所述图像探测器的各个像素包括：光电二极管组，包括第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2，且第一光电二极管PD1的阳极连接至第二光电二极管PD2的阴极；第一复位晶体管M1，用于根据第二扫描线12的扫描信号对光电二极管组进行复位；放大晶体管M2，用于将光电二极管组的输出信号转化成电流信号或电压信号后输出；输出晶体管M3，用于第一扫描线11的扫描信号选择输出放大晶体管M2的输出信号。第一扫描线11和第二扫描线12顺序扫描的结果为，先通过输出信号线21输出信号电压或信号电流，然后通过第一复位晶体管M1对放大晶体管M2的栅极电位做复位处理。
在该实施例中，各个晶体管均采用NMOS晶体管。具体地，各个电路元件与信号线之间的连接关系为：
第一光电二极管PD1的阳极与第二光电二极管PD2的阴极相连接，第一光电二极管PD1的阳极与第一固定电位VPD连接；第一复位晶体管M1的栅极连接至第二扫描线12，第一复位晶体管M1的源极连接至第二光电二极管PD2的阳极，第一复位晶体管M1的漏极连接至第二固定电位VDD；放大晶体管M2的栅极连接至第二光电二极管PD2的阳极，放大晶体管M2的源极连接至输出晶体管M3的漏极，放大晶体管M2的漏极连接至第二固定电位VDD；输出晶体管M3的栅极连接至第一扫描线11，输出晶体管M3的源极连接至输出信号线21。
由于现有技术中单个光电二极管的电容较大，导致探测节点的总电容较大。如果能够将光电二极管的电容减少一半并且保持总的光生电荷数目不变，则信号电压就会增长接近两倍。基于此，本发明在APS像素内，增加了光电二极管的数量，提高了探测得到的信号电压的幅度。每个像素中的光电二极管的数量为至少两个，而不限于该实施例中的两个，采用三个甚至更多个也是可以的，均属于本发明的保护范围之内。
采用该种电路结构可以提高输出电压的原理可以参见图4和图5。其中，图4为光电二极管组的等效电路图，两个光电二极管的等效电容分别为CPD1和CPD2。图5为光电二极管组的能带分布图，其中ΔVs为光电二极管组的输出信号电压。在所述图像探测器的每个像素中，原有的氢化非晶硅光电二极管的面积被均等地一分为二，然后首尾相连。这样连接后，每个光电二极管的有效电容变成原来的二分之一，串联在一起后的总电容等于原来的四分之一，也就是说CPD1＝CPD2＝0.5CPD，其中CPD为原来采用一个光电二极管时的电容。对于等量的入射光子密度来说，每个光电二极管内产生的光生电荷变为原来的二分之一，也就是等于0.5QPD。
已经漂移到探测节点的电荷0.5QPD对于探测节点的电位变化的贡献为：
上述公式中，ΔVS1代表光电二极管分割之前的信号电压，ΔVS2代表光电二极管被均等一分为二并串联起来之后的信号电压，显然对于同样的入射光子密度来说，探测节点的信号电压增大到两倍。被电场驱动漂移到两个光电二极管中间节点的空穴数目和电子数目相等，它们相互复合不对探测节点的电位变化做任何贡献。
进一步地，每个像素中的两个光电二极管的极性连接方式不限于图3中示出的方式。如图6所示，为将图3中的两个光电二极管的极性反转后的像素电路图。在该实施方式中，第一光电二极管PD1的阳极连接至固定电位VPD，第一光电二极管PD1的阴极连接至第二光电晶体管PD2的阳极，第二光电晶体管PD2的阴极连接至第一复位晶体管M1和第二复位晶体管M2。
进一步地，三个晶体管也不限于均采用NMOS管。如图7和图8所示为三个晶体管采用PMOS管时的像素电路图，且图8相对于图7中的光电二极管的极性反转。其原理与上述图3的原理类似，在此不再赘述。
在以上的实施例和工作原理的描述中，为简单起见均假设两个光电二极管的光生电荷数量和电容大小都一样，从而两个光电二极管的中间连接点的电位等于两端电位的中间值。然而实际情况并不总是这样理想，当一个光电二极管的光生电流或者等效电容值不同于另外一个时，中间连接点的电位就不再始终等于两端电位的中间值，一个光电二极管的电压就会大于另外一个光电二极管的电压。电压较小的一方的暗电流或者光生电流会相应地变小，从而自动调节中间连接点的电位平衡在某一个电位上。这种内部电压的变化会使得光生电荷的总数减少，并且达成这种动态平衡和稳定的过程可能会导致信号的延迟，并最终造成动态图像的拖尾和边缘模糊等问题。
为了解决这一问题，可以进一步增加一个第二复位晶体管M4。如图9和图10所示，为增加第二复位晶体管M4后的像素电路图。在图9中，第二复位晶体管M4为NMOS管，其栅极连接至第二扫描线12，源极连接至所述光电二极管组的中间节点，或者图9电路中第一光电二极管PD1的阳极，漏极连接至第三固定电位VR。增加第二复位晶体管M4后，上述的扫描顺序不变。该第二复位晶体管M4在每一帧图像读出后同时对两个光电二极管分别做复位处理，迫使两个光电二极管都被反向偏置在几乎相等的偏压状态上。在外部复位电压值的设定上，优选满足如下公式：
VDD-VR＝VR-VPD
在满足上述公式的基础上，可以基本保证两个光电二极管处于相近的偏压状态。类似地，可以将图9中两个光电二极管的极性反转，形成图10所示的像素电路图，即图10中，第二复位晶体管M4的源极连接至第一光电二极管PD1的阴极。
进一步地，为了保证串联在一起的光电二极管有着基本相同的偏置电压，复位后所述光电二极管组中任两个光电二极管的各自电压的差异将小于平均电压的30％，其中平均电压等于(VPD-VDD)/N，其中VPD为所述第一固定电位，VDD为所述第二固定电位，N为所述串联在一起的光电二极管的数目。
需要注意的是，本发明不限于在一个像素中采用两个光电二极管的情况。在一个像素中设置多个光电二极管时，相邻两个光电二极管之间形成一节点，每个节点都可以增加至少一个复位晶体管，并在每一帧图像读出后同时对各个光电二极管分别做复位处理，迫使各个光电二极管被反向偏置在几乎相等的偏压状态上。
同样地，上述像素中各个晶体管可以全为NMOS晶体管，也可以全为PMOS晶体管，也可以根据需要选择部分为NMOS晶体管，其余部分为PMOS晶体管等等，均属于本发明的保护范围之内。
在应用中，为了获得更好的图像增强效果，可以让第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2的有效受光面积的差值小于任一光电二极管的有效受光面积的30％。在光电二极管组中包括多个光电二极管时，可以让任意两个光电二极管的有效受光面积的差值小于任一光电二极管的有效受光面积的30％。
然而，上述图3、图6～图10的实施方式，每个像素都会将串联的光电二极管的一端连接到外部的电压源VPD之上，也就是说像素阵列中必须有VPD的母线(bus line)连接到每一个像素内。这样安排的结果，会造成有效受光面积的浪费和增加许多走线的交叉，以及由此带来的制造良率上的问题和驱动脉冲噪声的增加。为了克服该问题，在图11和图12的实施例中，将光电二极管组的外部电压源用输出信号线21来代替。图12与图11相比，改变了晶体管的类型以及光电二极管的极性连接方式。在通常的光照和驱动条件下，串联光电二极管的复位电流远远小于放大晶体管M2的漏极电流，对于承载在M2漏极电流之上的信号的串扰可以忽略。这样的电路构造大大简化了版图设计从而提高了光电二极管的有效面积。
如图13所示，为本发明一实施例的图像探测器的像素结构的俯视图，即图像探测器的版图设计。其对应的是图11的电路结构，即将输出信号线21作为第一固定电位VPD的像素电路结构。
其中，图像探测器的各个像素包括第二扫描线12、第一扫描线11、第一光电二极管PD1、第二光电二极管PD2、第一复位晶体管M1、放大晶体管M2、输出晶体管M3、电源线22和输出信号线21。图中，电源线22和输出信号线21沿纵向方向延伸，且沿横向方向交替排列，第二扫描线12和第一扫描线11沿横向方向延伸，且沿纵向方向交替排列。电源线22分别连接至第一复位晶体管M1的漏极和放大晶体管M2的漏极，作为第二固定电位VDD。此处仅为一种实施方式，也可以根据需要设置电源线22和所有扫描线平行排列，并和所有信号线呈垂直相交。
第一复位晶体管M1的栅极13连接至第二扫描线12，输出晶体管M3的栅极15连接至第一扫描线11，输出信号线21和输出晶体管M3的漏极连接，并且通过第四过孔74和第五过孔75连接至第一光电二极管PD1的第一电极51。电源线22对放大晶体管M2提供漏极电流并且对第一复位晶体管M1提供复位电平。第一光电二极管PD1的第二电极53和第二光电二极管PD2的第一电极61通过第一过孔71和第二过孔72连接。第二光电二极管PD2的第二电极63直接连接至放大晶体管M2的栅极14，提供调制放大晶体管M2沟道电流的信号电压，并通过第三过孔73连接至第一复位晶体管M1的源极。第一复位晶体管M1、放大晶体管M2和输出晶体管M3分别为包括半导体薄膜31、32和33的薄膜晶体管，以获得足够高的增益带宽积(gainbandwidth product)。半导体薄膜可以是非晶硅薄膜、多晶硅薄膜或金属氧化物薄膜，金属氧化物可以是铟，镓，锌，锡的氧化物的混合化合物，但不限于此，它们的合金或混合体的迁移率也可以稳定地达到和工作在20～100cm2/v.s，从而可以提供足够的增益带宽积给大面积的平板图像探测器。进一步地，半导体薄膜31、32和33可以选择低温多晶硅(LTPS：lowtemperature poly silicon)材料，其迁移率可以稳定地达到100cm2/v.s.。
图14示出了该实施例中两个光电二极管的首位相连的一种具体实施方式。在该实施例中，各个光电二极管为PIN型光电二极管，并且两个光电二极管采用相同薄膜材料和制造工艺，其有效受光面积和电容也基本相同。在图14示出的图像探测器的剖视图中，各个所述光电二极管组从下至上分别包括：
基板90，为承载平板式图像探测器的透明的玻璃基板，或者为具有柔性的不锈钢或者有机材料的基板；
第三绝缘层93，该绝缘层可以同时作为薄膜晶体管的栅绝缘膜；
第二导电层，包括第一光电二极管PD1的第二电极53和第二光电二极管PD2的第二电极63，第二电极53和63可以采用金属电极，例如金属钼Mo或者金属铬Cr或者金属铜Cu或者几种金属的合金；
半导体层，包括第一光电二极管PD1的半导体薄膜52和第二光电二极管PD2的半导体薄膜62，各个半导体薄膜52和62至少部分覆盖所对应的第二电极53和63；该半导体层可以包括N型导电的掺杂半导体层、基本不掺杂的本征半导体层和P型导电的掺杂半导体层；
第二绝缘层，包括第二绝缘膜92，第二绝缘膜92部分覆盖所对应的第二电极53和63；在光电二极管组包括多个光电二极管时，第二绝缘膜与光学变换链条中各个节点一一对应，并且部分覆盖所对应的节点两侧的光电二极管的第二电极；
第一导电层，包括第一光电二极管PD1的第一电极51和第二光电二极管PD2的第一电极61，各个第一电极51和61至少部分覆盖所对应的半导体薄膜52和62，第一电极51和61采用透明电极，例如50纳米的ITO(铟锡氧化物半导体透明导电膜)薄膜；
第一绝缘层91，第一绝缘层91中开设有第一过孔71和第二过孔72，第一过孔71连通至第二光电二极管PD2的第一电极61，第二过孔72连通至第一光电二极管PD1的第二电极53；在光电二极管组包括多个光电二极管时，第一过孔71和第二过孔72分别与所述节点一一对应，第一过孔71连通至节点一侧的光电二极管的第一电极，第二过孔72连通至节点另一侧的光电二极管的第二电极；
金属连接层81，其通过所述第一过孔71和第二过孔72连接该第一过孔下的光电二极管的第一电极和相邻光电二极管的第二电极。
图15示出了本发明一实施例的一个像素内第一复位晶体管和光电二极管组连接的结构。其中，第一复位晶体管M1的半导体薄膜31为构成该晶体管最为关键的半导体材料。比较理想的薄膜晶体管应该是开启电流和关态漏电流的比率大于6个数量级以上，并且其阈值电压漂移很少。考虑到放大晶体管M2对于高迁移率的需求，在这个实施例中采用了低温多晶硅LTPS材料。由于其漏电流较大，所以在图13的版图实施例中采用了两个串联在一起的LTPS TFT构成第一复位晶体管M1。第一复位晶体管M1的栅绝缘膜93可以和第二绝缘膜92同层设置。第一复位晶体管M1的源极25通过一个第三过孔73与第二光电二极管PD2的第二电极63连接。第一复位晶体管M1的漏极为标号24。同样地，第二复位晶体管M2也可以采用两个串联在一起的LTPS TFT，并且各个复位晶体管中的TFT的数量还可以进一步增加。
图16中示出了本发明一实施例的一个像素内放大晶体管和光电二极管的结构。第二光电二极管PD2的第二电极63和放大晶体管M2的栅极14可以为同一层相连的金属。将放大晶体管M2的栅极和第二导电层设置在同一层，可以在同一道制程中制备。
图17中示出了本发明一实施例的图像探测器的剖视图，即为将上述实施例的技术方案应用到平板式X射线图像探测器的一个具体实例。其中，在包括所述像素阵列的像素阵列层的上方，进一步设置有：氮化硅或氧化硅或交替叠加组成的阻隔空气和水汽的绝缘钝化层94；电磁辐射转换层95，包括将不可见的电磁辐射转换成可见光的闪烁膜或荧光膜，此处不可见的电磁辐射可以为X射线或伽马射线或其他高能辐射或离子，比如可以采用掺杂了微量重金属铊的碘化铯晶体CsI(TI)或者稀土金属钆的化合物(Gd2O2S)等闪烁体的闪烁膜；可见光反射层96，用于将可见光反射至像素阵列，即电磁辐射转换层95转换得到的可见光经可见光反射层96反射后射入像素阵列中的光电二极管，该可见光反射层96可以兼具防潮作用，例如可以阻隔湿气和活性气体以及物质的蒸镀的铝膜；碳纤维等轻材料合成的具有一定刚性的保护壳层97，可以透过不可见的电磁辐射例如X射线。在所述像素阵列层的下方，还可以进一步包括：信号读出芯片或薄膜电路，以及扫描芯片或薄膜电路，包括由薄膜晶体管组成的直接成膜在基板上的移位寄存器一类电路结构的扫描电路；薄膜晶体管和电容以及电极组成的静电保护电路；以及玻璃或、不锈钢或有机材料的可弯曲的基板，以承载整个图像传感器的结构。
图17中的实施方式仅为应用于不可见光的图像探测时的一种实施方式。在实际应用中，本发明的图像探测器也可以用于可见光的图像探测，即可以将电磁辐射转换层95去除，由像素阵列直接对入射的可见光进行光电转换，输出电流信号或电压信号。
有鉴于此，本发明的图像探测器通过改变光电二极管的设置方式，在一个像素中将原有的单个光电二极管分割为两个或更多个，并将其首尾相连组成光电二极管组或链条，像素内的所有光电二极管接受的总的光子能量并未有明显减少但是串联在一起形成的光电二极管组的电容却变为近似于四分之一或更小，从而显著降低了探测节点的总电容，提高像素输出电压的放大幅度，进而提高像素输出信号的信噪比。本发明不仅可以应用于X射线、γ射线等高能量电磁辐射的图像检测，还可以应用于其他可见光或非可见光的图像检测。
以上对本发明的基本概念和具体的若干实施例进行了描述。这里需要声明的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (16)
1.一种图像探测器，其特征在于，包括由多个像素组成的像素阵列，各个所述像素包括：
光电二极管组，包括至少两个首尾相连的光电二极管，所述光电二极管组的第一端连接至第一固定电位；
第一复位晶体管，其栅极连接至第二扫描线，其源极连接至所述光电二极管组的第二端，其漏极连接至第二固定电位；
放大晶体管，其栅极连接至所述光电二极管组的第二端，其漏极连接至外部电源；
输出晶体管，其栅极连接至第一扫描线，其漏极连接至放大晶体管的源极，其源极连接至输出信号线。
2.如权利要求1所述的图像探测器，其特征在于，各个所述像素还包括至少一个第二复位晶体管，其源极连接到所述光电二极管组中相邻两个光电二极管之间的节点，其漏极连接到第三固定电位上。
3.如权利要求2所述的图像探测器，其特征在于，所述像素内的所有晶体管都为NMOS管或都为PMOS管；所述第二复位晶体管的栅极连接至所述第二扫描线，顺序扫描的结果为，先输出信号电压或信号电流，然后对放大晶体管的栅极电位做复位处理。
4.如权利要求2所述的图像探测器，其特征在于，所述像素内的晶体管中一部分为PMOS管，且其他部分为NMOS管；所述第二复位晶体管的栅极连接至所述第二扫描线，顺序扫描的结果为，先输出信号电压或信号电流，然后对放大晶体管的栅极电位做复位处理。
5.如权利要求1所述的图像探测器，其特征在于，复位后所述光电二极管组中任两个光电二极管的偏置电压的差值将小于平均电压的30％，其中平均电压等于(VPD-VDD)/N，其中VPD为所述第一固定电位，VDD为所述第二固定电位，N为所述光电二极管组内光电二极管的数目。
6.如权利要求1所述的图像探测器，其特征在于，各个所述光电二极管为PIN型光电二极管；所述PIN型光电二极管的剖视图中包括：
第二导电层，包括各个光电二极管的第二电极；
半导体层，位于所述第二导电层的入射光一侧，所述半导体层包括N型导电的掺杂半导体层、基本不掺杂的本征半导体层和P型导电的掺杂半导体层；所述半导体层至少部分覆盖所述第二电极；
第一导电层，位于所述半导体层的入射光一侧，所述第一导电层包括各个光电二极管的第一电极，各个所述第一电极至少部分覆盖所述半导体层。
7.根据权利要求6所述的图像探测器，其特征在于，在所述图像探测器的剖视图中，各个所述像素还包括：
第二绝缘层，位于所述第二导电层的入射光一侧，所述第二绝缘层部分覆盖所述光电二极管的第二电极；
第一绝缘层，位于所述第一导电层的入射光一侧，所述第一绝缘层上开设有第一过孔和第二过孔，所述第一过孔连通至一个光电二极管的第一电极，所述第二过孔连通至相邻光电二极管的第二电极；
金属连接层，其通过所述第一过孔和第二过孔连接该第一过孔下的光电二极管的第一电极和相邻光电二极管的第二电极。
8.如权利要求1所述的图像探测器，其特征在于，所述像素还包括至少一条驱动所述放大晶体管的电源线、至少一条向所述光电二极管组施加电压的外部电源线、一条输出信号线、一条复位用扫描线和一条输出用扫描线，其中所述复位用扫描线兼用做下一行像素的输出用扫描线。
9.如权利要求8所述的图像探测器，其特征在于，所述图像探测器中各像素的所有电源线和所有信号线平行排列，并和所有扫描线呈垂直相交。
10.如权利要求8所述的图像探测器，其特征在于，所述图像探测器中各像素的所有电源线和所有扫描线平行排列，并和所有信号线呈垂直相交。
11.如权利要求1至10中任一项所述的图像探测器，其特征在于，所述像素内的晶体管为薄膜晶体管，包括采用非晶硅材料、多晶硅材料或铟、镓、锌、锡金属的氧化物材料的半导体薄膜。
12.根据权利要求2至4中任一项所述的图像探测器，其特征在于，所述第一复位晶体管和第二复位晶体管包括两个或两个以上串联连接由多晶硅材料组成的薄膜晶体管。
13.根据权利要求1至10中任一项所述的图像探测器，其特征在于，所述光电二极管组中，任意两个光电二极管的有效受光面积的差值小于任一光电二极管的有效受光面积的50％。
14.如权利要求1所述的图像探测器，其特征在于，所述光电二极管组的第一端连接至该光电二极管所在的像素的输出信号线。
15.根据权利要求1所述的图像探测器，其特征在于，所述光电二极管组中第一个光电二极管的阳极作为所述光电二极管组的第一端，最后一个光电二极管的阴极作为所述光电二极管组的第二端；或
所述光电二极管组中第一个光电二极管的阴极作为所述光电二极管组的第一端，最后一个光电二极管的阳极作为所述光电二极管组的第二端。
16.如权利要求1所述的图像探测器，其特征在于，沿电磁辐射的入射方向上，所述图像探测器依次包括：
保护壳层；
可见光反射层，用于将可见光反射至所述像素阵列；
电磁辐射转换层，包括将不可见的电磁辐射转换成可见光的闪烁膜或荧光膜，所述闪烁膜包括采用碘化铯材料或稀土金属钆的化合物材料的闪烁体；
绝缘钝化层，由氮化硅或氧化硅或交替叠加组成，用于阻隔空气和水汽；
像素阵列层，包括所述像素阵列；
信号读出芯片或薄膜电路，以及扫描芯片或薄膜电路，包括由薄膜晶体管组成的直接成膜在基板上的移位寄存器一类电路结构的扫描电路；
静电保护电路，由薄膜晶体管、电容以及电极组成；
可弯曲的基板，采用玻璃、不锈钢或有机材料。
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