CN108981910B - 光电探测电路以及光电探测器 - Google Patents
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Abstract
一种光电探测电路和光电探测器。该光电探测电路包括：第一子电路和第二子电路。第一子电路包括第一光电感应元件，第二子电路包括第二光电感应元件，第一光电感应元件与第二光电感应元件的电学特性基本相同，且第二光电感应元件被遮挡以阻止光入射到第二光电感应元件上。该光电探测电路增加一个第二子电路，并通过第二子电路输出暗电流，然后将该暗电流与第一子电路输出的电流信号进行差值处理，从而可以消除光电探测电路中的暗电流噪声，增大信噪比，提高探测精度。
Description
技术领域
本公开的实施例涉及一种光电探测电路和光电探测器。
背景技术
光电探测技术是根据被探测对象辐射或反射的光波来探测和识别对象的一种技术，其具有精度高、速度快、探测距离远、信息容量大、抗干扰能力强、非接触、易于自动化和智能化等优点。按照探测光线的波长范围，光电探测技术可以被划分为紫外光探测技术、可见光探测技术、X射线探测技术以及红外光探测技术等类型。
光电探测技术在军事、经济、医学、环境科学等各个领域具有广泛的用途，例如，X射线探测技术可以应用于疾病诊断、治疗等；红外光探测技术可以应用在红外侦查、夜视、红外隐身、红外制导、红外遥感等；可见光探测技术可以应用于监控、可视门铃、光度计量等。
发明内容
本公开至少一个实施例提供一种光电探测电路和光电探测器。该光电探测电路增加一个第二子电路，并通过第二子电路输出暗电流，然后将该暗电流与第一子电路输出的电流信号进行差值处理，从而可以消除光电探测电路中的暗电流噪声，增大信噪比，提高探测精度。
本公开至少一个实施例提供一种光电探测电路，其包括：第一子电路和第二子电路。所述第一子电路包括第一光电感应元件，所述第二子电路包括第二光电感应元件，所述第一光电感应元件与所述第二光电感应元件的电学特性基本相同，且所述第二光电感应元件被遮挡以阻止光入射到所述第二光电感应元件上。
例如，本公开至少一个实施例提供的光电探测电路，还包括差值电路。所述差值电路被配置为对彼此对应的所述第一子电路输出的第一输出信号和所述第二子电路输出的第二输出信号作差值处理。
例如，本公开至少一个实施例提供的光电探测电路，还包括放大电路。所述差值电路还被配置为输出差值信号，所述放大电路接收所述差值信号，并对所述差值信号进行放大处理。
例如，在本公开至少一个实施例提供的光电探测电路中，所述第二光电感应元件被遮挡以至少阻止其探测波段的光入射到所述第二光电感应元件上。
例如，在本公开至少一个实施例提供的光电探测电路中，所述第一子电路还包括第一开关元件和第一存储电容，所述第二子电路还包括第二开关元件和第二存储电容。所述第一开关元件被配置为控制输出所述第一光电感应元件产生的第一电信号，所述第一存储电容被配置为存储所述第一电信号。所述第二开关元件被配置为控制输出所述第二光电感应元件产生的第二电信号，所述第二存储电容被配置为存储所述第二电信号。
例如，本公开至少一个实施例提供的光电探测电路，还包括第一电源端和第二电源端。所述第一光电感应元件的第一端电连接到所述第一电源端，所述第一光电感应元件的第二端电连接到所述第一开关元件的第一端，所述第一开关元件的控制端被配置为接收控制信号，所述第一开关元件的第二端电连接到所述第一存储电容的第一端，所述第一存储电容的第二端电连接到所述第二电源端；所述第二光电感应元件的第一端电连接到所述第一电源端，所述第二光电感应元件的第二端电连接到所述第二开关元件的第一端，所述第二开关元件的控制端被配置为接收所述控制信号，所述第二开关元件的第二端电连接到所述第二存储电容的第一端，所述第二存储电容的第二端电连接到所述第二电源端。
例如，在本公开至少一个实施例提供的光电探测电路中，所述第一光电感应元件的第一端为正极端，所述第一光电感应元件的第二端为负极端；所述第二光电感应元件的第一端为正极端，所述第二光电感应元件的第二端为负极端。所述第一电源端的输出电压高于所述第二电源端的输出电压。
例如，在本公开至少一个实施例提供的光电探测电路中，所述第一开关元件与所述第二开关元件的电学特性基本相同，所述第一存储电容与所述第二存储电容的电学特性基本相同。
例如，在本公开至少一个实施例提供的光电探测电路中，所述第一光电感应元件包括光电二极管，所述第二光电感应元件包括光电二极管。
例如，在本公开至少一个实施例提供的光电探测电路中，所述第一子电路还包括波长转换元件。所述波长转换元件被配置为将入射光转换为所述第一光电感应元件的探测波段的光。
本公开至少一个实施例还提供一种光电探测器，包括上述任一项所述的光电探测电路。
例如，在本公开至少一个实施例提供的光电探测器中，所述第一子电路和所述第二子电路同层设置。
例如，本公开至少一个实施例提供的光电探测器，还包括遮光元件。所述遮光元件覆盖在所述第二光电感应元件上以使入射到所述第二光电感应元件的光被遮挡。
例如，在本公开至少一个实施例提供的光电探测器中，所述第一子电路和所述第二子电路层叠设置，所述第一子电路设置在所述第二子电路上，且使入射到所述第二光电感应元件的光被遮挡。
例如，本公开至少一个实施例提供的光电探测器，还包括遮光元件。所述遮光元件设置在所述第一子电路和所述第二子电路之间，且覆盖在所述第二光电感应元件上以使入射到所述第二光电感应元件的光被遮挡。
需要理解的是本公开的上述概括说明和下面的详细说明都是示例性和解释性的，用于进一步说明所要求的发明。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制。
图1A为一种被动型光电探测电路的结构示意图；
图1B为一种主动型光电探测电路的结构示意图；
图2为本公开一实施例提供的一种光电探测电路的结构示意图；
图3A为本公开一实施例提供的一种差值电路的示意图；
图3B为本公开一实施例提供的一种放大电路的示意图；
图4A为本公开一实施例提供的一种光电探测器的平面示意图；
图4B为沿图4A中线A-A'方向该光电探测器的截面结构示意图；
图5A为本公开一实施例提供的另一种光电探测器的平面示意图；
图5B为沿图5A中线B-B'方向该光电探测器的截面结构示意图；
图6为本公开一实施例提供的一种光电探测装置的平面示意图。
具体实施方式
为了使得本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
为了保持本公开实施例的以下说明清楚且简明，本公开省略了已知功能和已知部件的详细说明。
随着科学技术的发展，光电探测技术在医疗、农业、电子工业、宇航工业及其它领域的应用越来越广泛。例如，X射线探测技术可以将不可见的X射线转化为可见光，再由光电二极管接收该可见光并通过光伏效应将可见光信号转换为易于测量的电信号，从而实现检测功能。在医学领域，X射线探测技术可以应用于电子计算机断层扫描，以检查多种疾病。
X射线探测器是一种以非晶硅光电二极管阵列为核心的光电探测器，其包括阵列基板，该阵列基板包括X射线转化层以及若干探测单元构成的探测阵列，每个探测单元中包括例如一个薄膜晶体管(TFT，Thin Film Transistor)和一个光电二极管。当X射线照射阵列基板时，X射线转化层将X射线转化为可见光，再由光电二极管将可见光转化为电信号，并进行存储，然后在驱动电路的作用下，薄膜晶体管被逐行开启，光电二极管所转换的电荷可以通过薄膜晶体管被传输到数据处理电路，数据处理电路对电荷信号作进一步的放大、模/数转换等处理，最终获得探测图像信息。
X射线探测器中的探测电路可以包括主动型和被动型两种。被动型光电探测电路直接将光电感应元件产生的光电信号输出并检测；而主动型光电探测电路则首先对光电感应元件产生的光电信号进行放大后，然后将放大后的光电信号输出并检测。
图1A示出了一种被动型光电探测电路的结构示意图。例如，如图1A所示，该光电探测电路包括光电二极管70、晶体管71、电荷存储电容72、栅极存储电容73以及电荷放大器74。光电二极管70用于将光信号转换为电信号，晶体管71用于控制将光电二极管70产生的电信号传输至电荷存储电容72，电荷存储电容72用于存储光电二极管70产生的电信号，栅极存储电容73用于维持晶体管71的控制端P3的电压信号。
例如，电源电压端VDD输出正电压，光电二极管70的第一端M1与电源电压端VDD电连接，其第二端M2与晶体管71的第一端P1电连接；晶体管71的控制端P3与栅极存储电容73的第一端电连接，并被配置为接收控制信号，晶体管71的第二端P2与电荷存储电容72的第一端电连接；电荷存储电容72的第二端可以电连接至地端GND，栅极存储电容73的第二端也可以电连接至地端GND。
在光电探测器工作时，光电二极管70被光照射并产生与光信号强度相对应的光生电荷，该光生电荷可以在由电源电压端VDD和地端GND形成的电压的作用下定向移动。当晶体管71的控制端P3接收开启信号GD，晶体管71被开启，从而光生电荷可以通过晶体管71传输到电荷存储电容72上，并由电荷存储电容72存储，然后再传输到电荷放大器74进行进一步处理，最后被检测或形成图像信息。
图1B示出了一种主动型光电探测电路的结构示意图。例如，如图1B所示，主动型光电探测电路包括光电二极管PD、复位晶体管T1、源极跟随器晶体管T2以及选择晶体管T3。在光电二极管PD上产生、汇集的光生电荷在三个MOS晶体管的控制下被感测。具体过程可以为：在复位阶段内，复位晶体管T1的控制端接收到复位信号RG且导通，光电二极管PD被瞬时复位；在光感积累阶段内，复位信号关闭，从而复位晶体管T1截止，当光线入射到光电二极管PD上，光电二极管PD响应于入射光产生电子空穴对(EHP)。在信号放大阶段内，在光电二极管PD中积累(或存储)的电荷被传输至源极跟随器晶体管T2，源极跟随器晶体管T2将光电二极管PD输出的光电信号进行放大。在输出阶段内，选择晶体管T3的控制端接收选通信号SEL且导通，被放大的光电信号I被输出，然后在对该被放大的光电信号I进行进一步放大、模/数转换等处理，最后被检测或形成图像信息。
例如，如图1A所示，在实际应用中，为了提高光电探测器的分辨率，需要在光电二极管70的两端施加较高的电压，例如，在电源电压端VDD端施加正高压。由于高压的存在，即使在没有光照的情况下，光电二极管70内的极少数载流子也会产生定向漂移运动，从而形成暗电流，该暗电流的电荷信号也会在电荷存储电容72上被存储。由此，电荷存储电容72上存储的电荷量可以由下式表示：
Q＝f1+f2
其中，f1为光电二极管70产生的电荷量关于光照的函数，即f1为需要被探测的光生电荷；f2为电荷量关于电压的函数，其表示电路结构中的电子元件由高压引起的暗电流所产生的电荷，暗电流与需要探测的光生电荷无关，属于噪声信号。由于该暗电流的存在，导致检测到的电荷信号与光电二极管70产生的实际光生电荷信号存在差异，从而影响探测精确度，甚至造成探测误差或错误。
本公开至少一个实施例提供一种光电探测电路和光电探测器。该光电探测电路包括：第一子电路和第二子电路。第一子电路包括第一光电感应元件，第二子电路包括第二光电感应元件，第一光电感应元件与第二光电感应元件的电学特性基本相同，且第二光电感应元件被遮挡以阻止光入射到第二光电感应元件上。由此，该光电探测电路通过第二子电路对输出暗电流，然后将该暗电流与第一子电路输出的电流信号进行差值处理，从而可以消除光电探测电路中的暗电流噪声，增大信噪比，提高探测精度。
下面，本公开的实施例以被动型光电探测电路为例进行说明，本领域的技术人员应当明白，本公开提供的光电探测电路也可以为主动型光电探测电路，本公开的实施对此不作限制。
在本公开的以下描述中，“电学特性基本相同”表示在施加相同的电压下，相同类型的电子元件的电学特性相同或实质相同。例如，当两个相同类型的电子元件的材料、大小、尺寸、制备工艺条件等均相同时，在施加相同的电压下，该两个相同类型的电子元件具有基本相同的电学特性。“相同的电压”表示电压的值完全相等或基本相等，二者如果存在差异，则差值相对于较大的一个不超过10％，优选不超过5％。
下面对本公开的几个实施例进行详细说明，但是本公开并不限于这些具体的实施例。
实施例一
本实施例提供一种光电探测电路，图2示出了本实施例提供的一种光电探测电路的结构示意图。
例如，如图2所示，本实施例提供的光电探测电路包括第一子电路和第二子电路。第一子电路包括第一光电感应元件10，第二子电路包括第二光电感应元件20，第一光电感应元件10与第二光电感应元件20的电学特性基本相同，且第二光电感应元件20被遮挡以阻止光入射到第二光电感应元件20上。
例如，本实施例提供的光电探测电路可以包括一个第一子电路和多个第二子电路，即一个第一子电路可以对应多个第二子电路。例如，可以对多个第二子电路输出的暗电流取平均值，从而更加准确地评估暗电流。又例如，多个光电探测电路可以阵列排布，且每个光电探测电路包括一个第一子电路，至少两个光电探测电路包括一个第二子电路，也就是说，至少两个第一子电路对应一个第二子电路，从而可以减少光电探测电路形成的阵列中第二子电路所占用的面积。
例如，第一光电感应元件10用于响应入射光以产生探测电荷信号；第二光电感应元件20用于输出暗电流信号。
例如，可以在制作光电探测电路的过程中，对制备完成的第二光电感应元件20进行遮光处理；或者，还可以在制作第二光电感应元件20的过程中，对第二光电感应元件20的感光面进行遮光处理。例如，第二光电感应元件20的感光面上可以设置一层遮光层，从而防止光入射到第二光电感应元件20的感光面上。
例如，遮光层的材料为不透光材料。不透光材料可以为金属材料，例如，金属材料可以包括钼(Mo)、铜(Cu)、铝(Al)或锌(Zn)等。不透光材料还可以为非金属材料，例如，非金属材料可以包括掺入黑色颜料(例如，碳)的丙烯树脂等。
例如，第二光电感应元件20被遮挡以至少阻止其探测波段的光入射到第二光电感应元件20上。例如，遮光层还可以包括滤光片。该滤光片可以滤除第二光电感应元件20的探测波段的光。根据第二光电感应元件20的响应波长范围，遮光层可以包括不同类型的滤光片，例如，可见光滤光片、紫外滤光片、红外滤光片等。
例如，第一光电感应元件10和第二光电感应元件20可以相同，但并非要求二者严格相同，例如，二者可以基本相同。例如，第一光电感应元件10和第二光电感应元件20可以采用相同的材料，并利用基本相同的制备工艺条件形成；同时，二者还具有相同的尺寸等。从而在相同的电压下，第一光电感应元件10和第二光电感应元件20具有基本相同的暗电流。需要说明的是，第一光电感应元件10和第二光电感应元件20也可以存在一定的差异。只要保证在相同的电压下，第一光电感应元件10和第二光电感应元件20具有基本相同的电学特性即可。例如，在相同的电压下，第一光电感应元件10产生的暗电流和第二光电感应元件20产生的暗电流基本相同。
例如，第一光电感应元件10可以包括光电二极管，第二光电感应元件20也包括光电二极管。光电二极管例如可以包括PN结型光电二极管、PIN结型光电二极管、雪崩型光电二极管以及肖特基型光电二极管等。光电二极管的制备材料可以包括非晶硅(A-Si)、锗(Ge)、砷化铟镓(GaInAs)、硫化镉(Cds)、硒化镉(CdSe)、碲化镉(CdTe)、硫化铅(PbS)以及碲镉汞(HgCdTe)等光电转换材料。
需要说明的是，第一光电感应元件10和第二光电感应元件20的类型不限于光电二极管，还可以为其他适当的器件，例如金属-氧化物-金属结构的电接触光电二极管、光电晶体管等光伏探测器件。
例如，第一子电路还包括第一开关元件11和第一存储电容12，第二子电路还包括第二开关元件21和第二存储电容22。第一开关元件11被配置为控制输出第一光电感应元件10产生的第一电信号，第一存储电容12被配置为存储第一电信号。第二开关元件21被配置为控制输出第二光电感应元件20产生的第二电信号，第二存储电容22被配置为存储第二电信号。
例如，第一存储电容12还可以存储第一子电路中其他电子元件产生的暗电流信号；第二存储电容22还可以存储第二子电路中其他电子元件产生的暗电流信号。
例如，第一开关元件11与第二开关元件21的电学特性基本相同，且第一存储电容12与第二存储电容22的电学特性基本相同。例如，对于第一开关元件11和第二开关元件21，其电学特性可以包括电流放大系数、暗电流、频率特性、最大反向电压、反向电流等；对于第一存储电容12和第二存储电容22，其电学特性可以包括介质损耗、标称电容量、暗电流、额定工作电压、两电极之间的绝缘电阻等。
例如，第一存储电容12和第二存储电容22可以为固定电容、可变电容或者微调电容。例如，可以为铝电解电容、钽电解电容、聚酯薄膜电容、陶瓷电容、聚苯乙烯电容等。
例如，第一开关元件11和第二开关元件21可以为晶体管，例如MOS晶体管或薄膜晶体管(Thin film transistor,TFT)。薄膜晶体管例如可以包括氧化物薄膜晶体管、非晶硅薄膜晶体管或多晶硅薄膜晶体管等。例如，为了更好地使得二者的电学特性基本相同，第一开关元件11和第二开关元件21可以相邻设置且分别使用同一有源层的不同部分。
例如，第一开关元件11和第二开关元件21可以为N型晶体管，还可以为P型晶体管，对于不同类型的晶体管，需要调整晶体管的控制端的控制电压的电平。例如，对于N型晶体管，在控制信号为高电平时，该N型晶体管处于开启状态；而在控制信号为低电平时，N型晶体管处于截止状态。例如，对于P型晶体管时，在控制电压为低电平时，该P型晶体管处于开启状态；而在控制信号为高电平时，P型晶体管处于截止状态。
例如，在一个示例中，第一开关元件11和第二开关元件21可以采用低温多晶硅工艺制备，以使得薄膜晶体管的迁移速率较高、体积较小。
需要说明的是，第一开关元件11与第二开关元件21可以相同，也可以存在一定差异，只要保证其在相同的电压下具有基本相同的电学特性即可。同样地，第一存储电容12和第二存储电容22可以相同，也可以存在差异，只要保证其在相同的电压下具有基本相同的电学特性即可。
例如，光电探测电路还包括第一电源端V1和第二电源端V2。第一光电感应元件10的第一端N11电连接到第一电源端V1，第一光电感应元件10的第二端N12电连接到第一开关元件11的第一端S1，第一开关元件11的控制端G1被配置为接收第一控制信号，第一开关元件11的第二端D1电连接到第一存储电容12的第一端，第一存储电容12的第二端电连接到第二电源端V2。
第二光电感应元件20的第一端N21电连接到第一电源端V1，第二光电感应元件20的第二端N22电连接到第二开关元件21的第一端S2，第二开关元件21的控制端G2被配置为接收第二控制信号，第二开关元件21的第二端D2电连接到第二存储电容22的第一端，第二存储电容22的第二端电连接到第二电源端V2。
例如，第一控制信号和第二控制信号相同，以同时开启或关闭第一开关元件11和第二开关元件21。例如，第一开关元件11的控制端G1和第二开关元件21的控制端G2可以电连接到同一个栅极驱动器，以接收相同的控制信号。但本公开的实施例不限于此。例如，第一开关元件11的控制端G1和第二开关元件21的控制端G2还可以分别电连接到不同的栅极驱动器，只要保证第一控制信号和第二控制信号相同即可。
例如，光电探测电路还可以包括第一电源线和第二电源线(图中未示出)以分别为第一电源端V1和第二电源端V2传输电压信号。
例如，第一开关元件11的第一端S1为信号输入端，第一开关元件11的第二端D1为信号输出端；第二开关元件21的第一端S2为信号输入端，第二开关元件21的第二端D2为信号输出端。例如，信号输入端可以为晶体管的源极，以用于输入信号；信号输出端可以为晶体管的漏极，以用于输出信号；而控制端为晶体管的栅极，用于接收控制电压从而控制晶体管的工作状态。然而，考虑到晶体管的源极和漏极的对称性，信号输入端也可以为晶体管的漏极，而信号输出端为晶体管的源极。例如，对于N型晶体管，其信号输入端为漏极而信号输出端为源极；对于P型晶体管，其信号输入端为源极而信号输出端为漏极。
例如，第一光电感应元件10的第一端N11为正极端，第一光电感应元件10的第二端N12为负极端；第二光电感应元件20的第一端N21为正极端，第二光电感应元件20的第二端N22为负极端。第一电源端V1的输出电压高于第二电源端V2的输出电压。
例如，第一电源端V1可以电连接电源的正极以输出正电压。第二电源端V2可以电连接电源的负极以输出负电压。第二电源端V2还可以电连接至地端。
又例如，第一光电感应元件10的第一端N11也可以为负极端，第一光电感应元件10的第二端N12为正极端；在这种情况下，第一电源端V1的输出电压低于第二电源端V2的输出电压。
例如，如图2所示，第一子电路还包括第三存储电容13，第二子电路还包括第四存储电容23。第三存储电容13用于将第一控制信号保持到下一帧扫描，以使第一开关元件11在整个帧周期内处于开启状态；第四存储电容23用于将第二控制信号保持到下一帧扫描，以使第二开关元件21在整个帧周期内处于开启状态。
需要说明的是，在本公开的实施例中，根据需要，第一子电路和第二子电路还可以包括检测晶体管、传输晶体管或复位晶体管等。
例如，如图2所示，光电探测电路还包括差值电路30。差值电路30被配置为对彼此对应的第一子电路输出的第一输出信号Q1和第二子电路输出的第二输出信号Q2作差值处理。
例如，差值电路30包括第一信号输入端和第二信号输入端。例如，第一信号输入端用于与第一存储电容12的第一端连接，第二信号输入端用于与第二存储电容22的第一端连接，从而第一信号输入端可以接收第一输出信号Q1，第二信号输入端可以接收第二输出信号Q2。
需要说明的是，第一信号输入端和第一存储电容12的第一端之间可以设置第三开关元件，当第三开关元件导通时，差值电路30可以读取第一存储电容12存储的第一输出信号Q1。相应地，第二信号输入端和第二存储电容22的第一端之间可以设置第四开关元件，当第四开关元件导通时，差值电路30可以读取第二存储电容22存储的第二输出信号Q2。
例如，第一输出信号Q1可以包括第一光电感应元件10产生的第一电信号和第一子电路中的其他电子元件产生的暗电流信号；第二输出信号Q2可以包括第二光电感应元件20产生的第二电信号和第二子电路中的其他电子元件产生的暗电流信号。
例如，在光照下，第一光电感应元件10接收入射光并产生光生电荷，从而第一电信号可以包括第一光电感应元件10的光生电荷信号和第一光电感应元件10产生的暗电流信号；由于第二光电感应元件20被遮挡，没有光入射到第二光电感应元件20上，从而第二电信号可以为第二光电感应元件20产生的暗电流信号。
例如，第一输出信号Q1可以表示如下：
Q1＝f11+f12
其中，f11表示第一光电感应元件10产生的电荷量关于光照的函数，即f11为需要被探测的光生电荷；f12表示第一子电路产生的电荷量关于电压的函数，其表示第一子电路中的电子元件由于高压引起的暗电流所产生的电荷。
例如，第二输出信号Q2可以表示如下：
Q2＝f22
其中，f22表示在无光照的情况下第二子电路产生的电荷量关于电压的函数，即表示第二子电路中的电子元件由于高压引起的暗电流所产生的电荷。
在相同的电压下，第一子电路和第二子电路中的第一光电感应元件与第二光电感应元件的电学特性基本相同，因此，f12＝f22，也就是说，第一子电路中的暗电流信号与第二子电路中的暗电流信号相同；而且，如果第一子电路和第二子电路中的各电子元件的电学特性都基本相同，则在实践中能更好地确保f12＝f22。
将第一输出信号Q1和第二输出信号Q2输入到差值电路30中，并进行差值处理，例如，用第一输出信号Q1减去第二输出信号Q2，则可以得到差值信号Q：
Q＝Q1-Q2＝f11
该差值信号Q即为第一光电感应元件10在光照下产生的电荷量。由此，该光电探测电路可以消除电路中的暗电流，提高探测精度。
例如，差值电路30可以利用硬件电路实现。差值电路例如可以采用晶体管、电阻、电容和放大器等元件构成。图3A示出了本实施例提供的一种差值电路的示意图。
例如，第一输出信号Q1和第二输出信号Q2均为电流信号。如图3A所示，第一输出信号Q1通过第一读出放大器转换成第一电压信号Vin1，第二输出信号Q2通过第二读出放大器转换成第二电压信号Vin2，第一读出放大器例如为电阻Rsense1，第二读出放大器例如为电阻Rsense2。第一电压信号Vin1和第二电压信号Vin2再经过由电阻R1、R2、R3、Rf以及运算放大器等器件组成的电路之后，获得差值电压信号Vout，Vout可以表示如下:
当R1和Rf的阻值相同时，即可得到第一电压信号Vin1和第二电压信号Vin2的差值；当Rf的阻值大于R1的阻值时，该差值电路30还可以放大光电探测电路输出的电信号。差值信号Q可以为该差值电压信号Vout；或者，将差值电压信号Vout还原为差值电流信号，差值信号Q可以为差值电流信号。这样即可实现用第一输出信号Q1减去第二输出信号Q2的差值处理。
例如，利用相似的原理，也可以实现用第二输出信号Q2减去第一输出信号Q1的差值处理。
又例如，差值电路30也可以通过FPGA、DSP、CMU等信号处理器实现。差值电路30例如可以包括处理器和存储器，处理器执行存储器中存储的软件程序实现对第一输出信号Q1和第二输出信号Q2作差值处理的功能。
例如，如图2所示，光电探测电路还包括放大电路31。差值电路30还被配置为输出差值信号Q，放大电路31接收差值信号Q，并对差值信号Q进行放大处理。
例如，放大电路31的信号输入端与差值电路30的信号输出端电连接。
例如，放大电路31可以为电荷放大电路、电压放大电路等。当差值信号Q为电荷信号、电流信号时，放大电路31可以将差值信号Q转换成放大的电压信号，且该电压信号与差值信号Q成正比；当差值信号Q为电压信号时，放大电路31可以将该电压信号直接放大。
例如，放大电路31也可以利用硬件电路实现。放大电路31例如可以采用晶体管、电阻、电容和放大器等元件构成。图3B示出了本实施例提供的一种放大电路的示意图。
例如，差值信号Q可以为电流信号。如图3B所示，差值信号Q通过第三读出放大器转换成第三电压信号Vin3，第三读出放大器例如为电阻Rsense3。第三电压信号Vin3再经过由电阻R4、R5、R6、Rx、Rs以及运算放大器等器件组成的电路之后，获得放大电压信号Vo，Vo可以表示如下:
放大电路31中的各电阻的阻值直接决定了该放大电路31的放大增益。通过调节电阻R4、R5、R6、Rx、Rs的值即可调节输出的放大电压信号Vo的大小。
例如，差值信号Q还可以为电压信号。在这种情况下，放大电路31则可以不需要第三读出放大器。
例如，放大电路31可以为单级耦合放大电路，也可以为多级耦合放大电路。放大电路31可以对输入信号进行线性或非线性变换。线性变换例如可以包括一次函数变换等，非线性变换例如可以包括指数变换或二次函数变换等。本实施例对此不做限制。
例如，放大电路31的具体示例可以为电子放大器。电子放大器例如可以包括运算放大器等。
例如，如图2所示，第一子电路还包括波长转换元件15。波长转换元件15被配置为将入射光转换为第一光电感应元件10的探测波段的光。入射光可以为高频射线，高频射线例如可以包括紫外射线、X射线、伽马射线等短波射线。
例如，波长转换元件15可以包括闪烁体。闪烁体用于吸收高频射线，并将所吸收的高频射线转化为可见光。闪烁体例如可以分为无机闪烁体和有机闪烁体两类。无机闪烁体主要为固体的无机晶体；有机闪烁体主为无机闪烁体中掺入金属或者稀土杂质形成晶体。例如，闪烁体的材料可以包括硫氧化钆(Gd2O2S)、碘化铯(CsI2)、碘化钠(NaI)、钨酸镉(CdWO4)、锗酸铋(Bi4Ge3O12)和非晶硒(A-Se)等。
需要说明的是，第二光电感应元件20与第一光电感应元件10可以具有基本相同的结构和电学特性，不同之处在于：第二光电感应元件20被遮挡以至少阻止光入射到第二光电感应元件20上。由此，本公开的实施例中，对第一光电感应元件10的结构、电学特性等的相关描述在不矛盾的情况下也适用于第二光电感应元件20，重复之处不做赘述。
实施例二
本实施例提供一种光电探测器，包括上述任一项所述的光电探测电路。图4A为本实施例提供的一种光电探测器的平面示意图；图4B为沿图4A中线A-A'方向该光电探测器的截面结构示意图；图5A为本实施例提供的另一种光电探测器的平面示意图；图5B为沿图5A中线B-B'方向该光电探测器的截面结构示意图。
例如，如图4A所示，该光电探测器包括基板200和设置在基板200上的至少一个上述任一项所述的光电探测电路100。光电探测电路100包括第一子电路110和第二子电路120，第一子电路110包括第一光电感应元件，第二子电路120包括第二光电感应元件。
例如，如图4A和4B所示，在一个示例中，第一子电路110和第二子电路120可以同层设置，从而第一子电路110和第二子电路120可以采用同样的工艺且同时形成。由此，本示例提供的光电探测电路100可以简化制作工艺、提高光电探测器的良率。
例如，在垂直于基板200的方向上，第一子电路110和第二子电路120不重叠，例如，第一光电感应元件和第二光电感应元件完全不重叠。
例如，光电探测器100还包括遮光元件121。遮光元件121覆盖在第二光电感应元件上以使入射到第二光电感应元件的光被遮挡。
例如，遮光元件121可以完全覆盖在第二子电路120上，以使第二子电路120中所有的元件均处于暗态。
例如，遮光元件121的材料可以为不透光材料。不透光材料可以为金属材料，例如，金属材料可以包括钼(Mo)、铜(Cu)、铝(Al)或锌(Zn)等。不透光材料还可以为非金属材料，例如，非金属材料可以包括掺入黑色颜料(例如，碳)的丙烯树脂等。
例如，光电探测器100还包括第一绝缘层122，第一绝缘层122设置在遮光元件121和第二子电路120之间。第一绝缘层122用于防止遮光元件121和第二子电路120中的电子元件之间发生短路，而且还可以保护第二子电路120。
例如，如图5A和5B所示，在一个示例中，第一子电路110和第二子电路120还可以至少部分层叠设置，第一子电路110设置在第二子电路120上，且使入射到第二光电感应元件的光被遮挡。本示例提供的光电探测电路100中，第一光电感应元件可以具有较大的感光面积，可以接收较多的入射光，从而获得较多的探测电信号，提高信噪比。
例如，第一子电路110和第二子电路120至少部分层叠设置，例如，在垂直于基板200的方向上，第一光电感应元件和第二光电感应元件完全重叠设置，若第一光电感应元件不透光，则其可以遮挡入射到第二光电感应元件的光。
例如，如图5B所示，若第一光电感应元件透光，则第一子电路110和第二子电路120之间可以设置有遮光元件121。遮光元件121覆盖在第二光电感应元件上以使入射到第二光电感应元件的光被遮挡。
例如，遮光元件121可以为反射层，第一光电感应元件将入射光转换为电信号，若该入射光没有完全被转换为电信号，则未转换为电信号的部分入射光可以被遮光元件121遮挡并反射，从而重新入射到第一光电感应元件，以使得第一光电感应元件能够将完全转化入射光信号，从而提高探测精度。
例如，光电探测电路100还可以包括第二绝缘层123和第三绝缘层124。第二绝缘层123设置在遮光元件121和第二子电路120之间，以防止遮光元件121和第二子电路120中的电子元件之间发生短路；第三绝缘层124设置在遮光元件121和第一子电路110之间，以防止遮光元件121和第一子电路110中的电子元件之间发生短路。
例如，光电探测器还可以包括钝化层(图中未示出)。钝化层设置在光电探测电路100上，以将光电探测电路100与外界隔绝，从而减少外界水氧等渗透到光电探测电路100的电子元件上，有效提高光电探测电路100中的电子元件的性能和稳定性，延长光电探测电路100的使用寿命。
例如，第一绝缘层122、第二绝缘层123和第三绝缘层124的材料可以为氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiOx)、氮氧化硅(SiNxOy)或其他合适的材料。
例如，基板200可以为玻璃基板、石英基板、陶瓷基板、塑料基板或硅胶基板等，又例如，该基板200还可以为形成有功能部件的面板，例如其上形成其他电路或元件等。
例如，光电探测器还可以包括栅极驱动电路。栅极驱动电路用于为光电探测电路100提供驱动信号，以控制光电探测电路100输出探测电信号。例如，栅极驱动电路可以输出控制信号以控制光电探测电路100中的第一开关元件和第二开关元件的开启或关闭。
实施例三
本实施例提供一种光电探测装置，图6示出了本实施例提供的一种光电探测装置的平面示意图。
例如，该光电探测装置包括上述任一项所述的光电探测器。该光电探测器例如可以为可见光探测器、X射线探测器或红外光探测器等。如图6所示，在光电探测器的基板上可以设置多个阵列排布的探测单元300，每个探测单元300都包括光电探测电路。
对于本公开，还有以下几点需要说明：
(1)本公开实施例附图只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。
(2)在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (14)
1.一种光电探测器，包括至少一个光电探测电路，其中，所述至少一个光电探测电路中的每个包括：第一子电路和第二子电路，
其中，所述第一子电路包括第一光电感应元件，所述第二子电路包括第二光电感应元件，
所述第一光电感应元件与所述第二光电感应元件的电学特性基本相同，且所述第二光电感应元件被遮挡以阻止光入射到所述第二光电感应元件上，
所述第一光电感应元件与所述第二光电感应元件的电学特性基本相同，包括：所述第一光电感应元件和所述第二光电感应元件采用相同的材料，利用基本相同的制备工艺形成，以及具有相同的尺寸；
所述第一子电路还包括第一开关元件，所述第一开关元件被配置为控制输出所述第一光电感应元件产生的第一电信号；
所述第二子电路还包括第二开关元件，所述第二开关元件被配置为控制输出所述第二光电感应元件产生的第二电信号；
所述第一开关元件的控制端和所述第二开关元件的控制端被配置为接收相同的控制信号，以同时开启或关闭所述第一开关元件和所述第二开关元件；
所述至少一个光电探测电路中的每个包括一个所述第一子电路和多个所述第二子电路；或者
所述至少一个光电探测电路中的至少两个包括同一所述第二子电路。
2.根据权利要求1所述的光电探测器，其中，所述至少一个光电探测电路还包括差值电路，
其中，所述差值电路被配置为对彼此对应的所述第一子电路输出的第一输出信号和所述第二子电路输出的第二输出信号作差值处理。
3.根据权利要求2所述的光电探测器，其中，所述至少一个光电探测电路还包括放大电路，
其中，所述差值电路还被配置为输出差值信号，所述放大电路接收所述差值信号，并对所述差值信号进行放大处理。
4.根据权利要求1-3任一所述的光电探测器，其中，所述第二光电感应元件被遮挡以至少阻止其探测波段的光入射到所述第二光电感应元件上。
5.根据权利要求1-3任一所述的光电探测器，其中，所述第一子电路还包括第一存储电容，所述第一存储电容被配置为存储所述第一电信号，
所述第二子电路还包括第二存储电容，所述第二存储电容被配置为存储所述第二电信号。
6.根据权利要求5所述的光电探测器，其中，所述至少一个光电探测电路还包括第一电源端和第二电源端，
其中，所述第一光电感应元件的第一端电连接到所述第一电源端，所述第一光电感应元件的第二端电连接到所述第一开关元件的第一端，
所述第一开关元件的控制端被配置为接收控制信号，所述第一开关元件的第二端电连接到所述第一存储电容的第一端，所述第一存储电容的第二端电连接到所述第二电源端；
所述第二光电感应元件的第一端电连接到所述第一电源端，所述第二光电感应元件的第二端电连接到所述第二开关元件的第一端，
所述第二开关元件的控制端被配置为接收所述控制信号，所述第二开关元件的第二端电连接到所述第二存储电容的第一端，所述第二存储电容的第二端电连接到所述第二电源端。
7.根据权利要求6所述的光电探测器，其中，所述第一光电感应元件的第一端为正极端，所述第一光电感应元件的第二端为负极端，
所述第二光电感应元件的第一端为正极端，所述第二光电感应元件的第二端为负极端，
所述第一电源端的输出电压高于所述第二电源端的输出电压。
8.根据权利要求5所述的光电探测器，其中，所述第一开关元件与所述第二开关元件的电学特性基本相同，所述第一存储电容与所述第二存储电容的电学特性基本相同。
9.根据权利要求1所述的光电探测器，其中，所述第一光电感应元件包括光电二极管，所述第二光电感应元件包括光电二极管。
10.根据权利要求1所述的光电探测器，其中，所述第一子电路还包括波长转换元件，所述波长转换元件被配置为将入射光转换为所述第一光电感应元件的探测波段的光。
11.根据权利要求1所述的光电探测器，其中，所述第一子电路和所述第二子电路同层设置。
12.根据权利要求11所述的光电探测器，还包括遮光元件，
其中，所述遮光元件覆盖在所述第二光电感应元件上以使入射到所述第二光电感应元件的光被遮挡。
13.根据权利要求1所述的光电探测器，其中，所述第一子电路和所述第二子电路层叠设置，所述第一子电路设置在所述第二子电路上，且使入射到所述第二光电感应元件的光被遮挡。
14.根据权利要求13所述的光电探测器，还包括遮光元件，
其中，所述遮光元件设置在所述第一子电路和所述第二子电路之间，且覆盖在所述第二光电感应元件上以使入射到所述第二光电感应元件的光被遮挡。
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