主动式光感测像素、主动式光感测阵列以及光感测方法

摘要

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。

说明书

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(display  screen)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 coupled  device，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；

V_H～高电压；

V_L～低电压；

I_photo、I’_photo～光感测电流；

I_diode、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；

V_ref1～第一参考电压；

V_ref2～第二参考电压；

V_ref3～第三参考电压；

X₁～第一节点；

V_X1、V_N1、V_N2～电压；

V_GH～高准位驱动电压；

V_GL～低准位驱动电压；

V_{th_Q1}～临界电压；

T₁～第一周期；

T₂～第二周期；

C_sensitivity～灵敏度调整电容；

C_LC～液晶电容；

M_{photo-sensing}～光感测阵列；

M_{sensing-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(first  operation 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V_H，而第 二端点N₂被施加低电压V_L。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I_photo由第 一端点N₁流向第二端点N₂。一般而言，光感测电流I_photo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I_photo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I_photo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I_photo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I_photo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V_N1为16V，则光感测电流I_photo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V_N1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I_photo，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(second  operation 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V_L，而第二端点被施加高电压V_H。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V_H(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I_diode(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V_N2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I_diode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(V_N2＞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I_diode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V_N2为15V，则二极管电流I_diode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V_N2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I_diode的数值远大于光感测电流I_photo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 I_photo对第一端点N₁的充电过程，在第二操作模式中，二极管电流I_diode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V_X1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V_GH)，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I_photo，并且光 感测电流I_photo将第一节点X₁充电至高准位的电压V_X1。当电压V_X1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 V_GH)，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I_photo。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I_photo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I_photo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V_GL)，双端点光感测晶体管Q₁作为二极管并通过二极管电流I_diode而将第一节点X₁的电压V_X1“快速地”放 电至选择信号线Sel_2。当第一节点X₁的电压V_X1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V_X1的重置主要是通过双端点光感测晶体管Q₁的二极管电流I_diode(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V_GH为10V，选择信号线的低准位驱动电压V_GL为0V。第一节 点X₁的电压波形V_X1比低准位驱动电压V_GL至少高V_{th_Q1}，其中V_{th_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C_sensitivity，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V_ref2。

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V_X1)，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I_photo很大时(即ΔV_X1很大)，使用具有较大电容值的灵敏度调整电容C_sensitivity；当光感测电流I_photo很小时(即ΔV_X1很小)，使用具有较小电容值的灵敏度调整电容C_sensitivity。因 此，即使入射光很微弱而使光感测电流I_photo变得很小，通过使用电容值较小 的灵敏度调整电容C_sensitivity，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M_{photo-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V_GH)， 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 I_photo，并且光感测电流I_photo对第一节点X₁充电至高准位的电压V_X1。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I_photo，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V_GL)，驱动晶体管Q₂通过双端点光感测晶体管 Q₁的二极管电流I_diode将第一节点的电压V_X1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 M_{photo-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 M_{photo-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M_{sensing-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C_LC，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C_LC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V_ref3。

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V_GH)，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I_photo，并且光感测电流I_photo对第一节点X₁充电至 高准位的电压V_X1。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V_X1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I_photo，第一节点X₁上的电压V_X1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V_GL)，第一节点的电压V_X1是通过双端点光 感测晶体管Q₁的二极管电流I_diode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(charge  coupled 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。