用于高灵敏度辐射感测的电路的制作方法

1.本公开内容涉及用于高灵敏度辐射感测的电路。该电路可以用于在诸如环境光感测、接近感测和闪烁检测的应用中使用的辐射传感器。


背景技术：

2.诸如智能电话的现代消费电子产品越来越多地实现各种传感器。例如，这样的传感器可以包括环境光传感器、接近传感器、被配置成检测环境光中的闪烁的传感器等。
3.这样的传感器可能需要满足与准确性、灵敏度以及特别是信噪比有关的严格要求。
4.例如，在诸如oled屏下应用的一些应用中，传感器可能经受非常低水平的入射辐射，从而使得难以实现对入射辐射水平进行准确检测。
5.此外，实现能够满足严格的精确度和灵敏度要求的传感器，同时还考虑与成本、小型化、功率限制以及底层设备制造技术的基本限制有关的进一步要求，这正变得越来越困难。
6.可以使用用于检测入射辐射的光电二极管实现一些传感器。然而，光电二极管和其中实现光电二极管的电路，也已知在它们的感测能力方面表现出局限性。例如，已知光电二极管容易泄漏，其可表现为可测量的“暗电流”，该电流可能影响辐射水平的绝对测量。
7.此外，尽管可以实现高度准确的测量电路系统(circuitry)以测量由入射在光电二极管上的辐射引起的光电流，但此类电路系统也会引入误差。例如，来自相邻电路系统的串扰以及任何杂散电容(诸如在电路系统的组件中或任何互连线中的寄生电容)可以影响电路的整体性能。
8.因此，期望实现适用于诸如环境光感测和接近感测的应用中的准确辐射感测并且能够满足与灵敏度和信噪比等有关的严格要求的电路。
9.因此，本公开内容的至少一个方面的至少一个实施方式的目的是消除或至少减轻现有技术的上述已确认的缺点中的至少一个。


技术实现要素：

10.本公开内容涉及用于高灵敏度辐射感测的并且适合在诸如环境光感测、接近感测和闪烁检测的应用中使用的电路。根据本公开内容的第一方面，提供了一种用于感测辐射的电路，该电路包括：第一晶体管，其能够被配置成将电路节点处的电压电平复位至电压基准；测量电路系统，其被配置成测量电路节点处的电压电平；至少一个光电二极管，其被配置成响应于在积分时段期间入射到光电二极管上的辐射而改变电路节点处的电压电平；以及处理电路系统，其被配置成控制第一晶体管以将电路节点处的电压电平复位，并且随后将测量电路系统配置成在积分时段开始和结束时测量电压电平。
11.有利地，通过在积分时段开始和结束时测量电压电平，可以将诸如由于暗电流可能引入的系统误差之类的误差考虑在内。因此，可以对入射辐射的强度进行极高灵敏度的
测量。
12.处理电路系统可以被配置成基于积分时段开始和结束时的电压电平之间的差来确定入射辐射的强度。
13.有利地，通过基于差来确定入射辐射的强度，例如，从积分时段结束时的测量电压电平中减去该差，可以将诸如由于光电二极管的泄漏引起的误差或由于可能促成“暗电流”的其他因素引起的误差考虑在内。
14.至少一个光电二极管可以包括岛状光电二极管。
15.有利地，岛状光电二极管可以表现出极低的电容。因此，可以最大化电路的灵敏度。此外，可以将来自光电二极管的泄漏最小化，从而致使入射辐射强度的测量的误差减少。
16.电路可以包括电容器，电容器具有耦接至电路节点的第一端子和耦接至电压基准的第二端子。
17.有利地，在电路中包括电容器可以提供用于更准确地提供与由光电二极管中的光电效应生成的电荷量对应的可测量电压电平的手段。此外，这样的电容器可以帮助确保在满足信噪比要求的同时实现足够的灵敏度。
18.电路可以包括由处理电路系统控制的并且可以配置成将至少一个光电二极管与测量电路系统隔离的第二晶体管。
19.处理电路系统可以被配置成确定在至少一个光电二极管与测量电路系统隔离的情况下以及在至少一个光电二极管不与测量电路系统隔离的情况下由测量电路系统对电压电平进行的测量之间的差。
20.有利地，通过将至少一个光电二极管与测量电路系统隔离，测量电路系统可以被配置成执行考虑电路中的误差(例如，系统误差)的测量。随后可以从使用光电二极管对辐射强度进行的测量中减去这样测量的误差。
21.电路可以包括误差放大器电路，该误差放大器电路被配置成将跨至少一个光电二极管的偏压最小化。
22.有利地，通过将跨至少一个光电二极管的偏压最小化，可以将来自光电二极管的泄漏电流最小化，从而减少电路中的误差并且增加入射辐射的测量的灵敏度和精确度。
23.电路可以包括第三晶体管。误差放大器电路的输出可以耦接至第三晶体管的栅极。第三晶体管的源极可以耦接至至少一个光电二极管的阴极。第三晶体管的漏极可以耦接至电路节点。在一些实施方式中，第三晶体管的源极可以经由至少一个其它晶体管耦接至至少一个光电二极管的阴极，例如另一晶体管可以存在于第三晶体管的源极与至少一个光电二极管的阴极之间的路径中，如下文更详细描述的。
24.第三晶体管的源极处的电压电平可以对应于至少一个光电二极管的阴极处的电压电平，例如考虑到跨可能处于第三晶体管的源极与至少一个光电二极管的阴极之间的路径中的任何晶体管的任何电压降。
25.有利地，这种布置使得误差放大器能够校正可能跨光电二极管存在的偏压。此外，通过使误差放大器耦接至第三晶体管的栅极，防止误差放大器将电流朝向电路节点驱动。也就是说，误差放大器可以被配置成将跨至少一个光电二极管的偏压保持为零伏特或接近零伏特，而不从其汲取任何电流。
26.误差放大器电路可以被配置成在第三晶体管的栅极处提供负电压。
27.在一些实施方式中，当考虑到误差放大器的输出与至少一个光电二极管的阴极之间的电路内可能存在的任何电压降时，可能需要驱动略微负的电压以完全移除来自跨至少一个光电二极管的偏压。
28.误差放大器电路的第一输入可以耦接至至少一个光电二极管的阳极。误差放大器电路的第二输入可以耦接至阴极。在一些实施方式中，误差放大器电路的第二输入可以经由在误差放大器电路的第二输入与阴极之间的路径中的一个或更多个晶体管耦接至阴极。也就是说，考虑到跨可以存在于误差放大器的第二输入与阴极之间的路径中的任何晶体管的任何电压降，误差放大器电路的第二输入处的电压电平可以对应于阴极处的电压电平。
29.电路可以包括被配置为源极跟随器的第四晶体管。第四晶体管的栅极可以耦接至电路节点。第四晶体管的源极可以耦接至测量电路系统。
30.处理电路系统可以包括被配置成限定积分时段的定时器。
31.根据本公开内容的第二方面，提供一种用于感测辐射的电路，该电路包括：至少一个光电二极管，其被配置成响应于在积分时段期间入射到光电二极管上的辐射而改变电路节点处的电压电平；测量电路系统，其被配置成测量电路节点处的电压电平；第一晶体管，其能够被配置成将至少一个光电二极管与测量电路系统隔离；以及处理电路系统，其被配置成：确定在至少一个光电二极管与测量电路系统隔离的情况下以及在至少一个光电二极管不与测量电路系统隔离的情况下由测量电路系统对电压电平进行的测量之间的差；并且基于从积分时段结束时测量的电压电平中减去差来确定入射辐射的强度。
32.电路可以包括第二晶体管，该第二晶体管能够被配置成将电路节点处的电压电平复位至电压基准。
33.处理电路系统可以被配置成控制第二晶体管以将电路节点处的电压电平复位，并且随后将测量电路系统配置成在积分时段开始和结束时测量电压电平。
34.处理电路系统可以被配置成基于积分时段开始和结束时的电压电平之间的差来确定入射辐射的强度。
35.至少一个光电二极管可以包括岛状光电二极管。
36.电路可以包括电容器，该电容器具有耦接至电路节点的第一端子和耦接至电压基准的第二端子。
37.电路可以包括误差放大器电路，该误差放大器电路被配置成将跨至少一个光电二极管的偏压最小化。
38.电路可以包括第三晶体管。误差放大器电路的输出可以耦接至第三晶体管的栅极。第三晶体管的源极可以耦接至至少一个光电二极管的阴极。第三晶体管的漏极可以耦接至电路节点。
39.误差放大器电路可以被配置成在第三晶体管的栅极处提供负电压。
40.误差放大器电路的第一输入可以耦接至至少一个光电二极管的阳极。误差放大器电路的第二输入可以耦接至阴极。
41.电路可以包括被配置为源极跟随器的第四晶体管。第四晶体管的栅极可以耦接至电路节点。第四晶体管的源极可以耦接至测量电路系统。
42.处理电路系统可以包括被配置成限定积分时段的定时器。
43.根据本公开内容的第三方面，提供一种用于感测辐射的电路，该电路包括：至少一个光电二极管，其被配置成响应于在积分时段期间入射到光电二极管上的辐射而改变电路节点处的电压电平；测量电路系统，其被配置成测量电路节点处的电压电平；误差放大器电路，其被配置成在积分时段期间将跨至少一个光电二极管的偏压最小化；以及处理电路系统，其被配置成控制测量电路系统以在积分时段结束时测量电压电平。
44.电路可以包括第一晶体管，该第一晶体管可以被配置成将电路节点处的电压电平复位至电压基准。
45.处理电路系统可以被配置成控制第一晶体管以将电路节点处的电压电平复位，并且随后将测量电路系统配置成在积分时段开始和结束时测量电压电平。
46.处理电路系统可以被配置成基于在积分时段开始和结束时的电压电平之间的差来确定入射辐射的强度。
47.至少一个光电二极管可以包括岛状光电二极管。
48.电路可以包括电容器，该电容器具有耦接至电路节点的第一端子和耦接至电压基准的第二端子。
49.电路可以包括第二晶体管，第二晶体管由处理电路系统控制并且可以被配置成将至少一个光电二极管与测量电路系统隔离。
50.处理电路系统可以被配置成确定在至少一个光电二极管与测量电路系统隔离的情况下以及在至少一个光电二极管不与测量电路系统隔离的情况下由测量电路系统对电压电平进行的测量之间的差。
51.电路可以包括第三晶体管。误差放大器电路的输出可以耦接至第三晶体管的栅极。第三晶体管的源极可以耦接至至少一个光电二极管的阴极。第三晶体管的漏极可以耦接至电路节点。
52.误差放大器电路可以配置成在第三晶体管的栅极处提供负电压。
53.误差放大器电路的第一输入可以耦接至至少一个光电二极管的阳极。误差放大器电路的第二输入耦接至阴极。
54.电路可以包括被配置为源极跟随器的第四晶体管。第四晶体管的栅极可以耦接至电路节点。第四晶体管的源极可以耦接至测量电路系统。
55.处理电路系统可以包括被配置成限定积分时段的定时器。
56.根据本公开内容的第三方面，提供了一种包括根据上述方面中的任一方面的电路的装置。该装置被配置用于以下各项中的至少一项：环境光感测；接近感测；或闪烁检测。
57.该装置可以是通信设备。该装置可以是以下之一：智能电话；蜂窝电话；平板电脑；膝上型电脑。
58.电路可以耦接至处理器和/或存储设备。
59.该装置可以包括led显示器。
60.电路的至少一个光电二极管可以设置在led显示器的辐射发射表面的后方，并且被配置成接收传播穿过led显示器的辐射。
61.上述发明内容旨在仅仅是示例性的而非限制性的。本公开内容包括单独的或各种组合的一个或更多个对应方面、实施方式或特征，无论是否特别说明(包括要求保护)这些组合的或单独的对应方面、实施方式或特征。应当理解，上面根据本公开内容的任何方面或
下面与本公开内容的任何具体实施方式有关的任何方面限定的特征可以在任何其他方面或实施方式中单独地使用或与任何其他限定的特征结合地使用，或形成本公开内容的另一方面或实施方式。
附图说明
62.现在将参照附图仅作为示例来描述本公开内容的这些和其他方面，附图如下：
63.图1是根据本公开内容的实施方式的用于感测辐射的电路的表示；
64.图2是根据本公开内容的另一实施方式的用于感测辐射的电路的表示；
65.图3是与图2的用于感测辐射的电路的操作对应的时序图；
66.图4a是岛状光电二极管的截面的表示；
67.图4b是岛状光电二极管的俯视图的表示；
68.图5是根据本公开内容的实施方式的包括用于感测辐射的电路的装置。
具体实施方式
69.图1描绘了根据本公开内容的实施方式的用于感测辐射的电路100的表示。电路100用于高灵敏度辐射感测，并且特别适于在诸如环境光感测、接近感测和闪烁检测的应用中使用，其中要感测的辐射的强度可以特别低。
70.电路100包括第一晶体管105。第一晶体管105可以配置成将电路节点110处的电压电平复位至由电压基准120限定的电压电平。在一些实施方式中，电压基准120可以是供电轨，例如vdd。
71.第一晶体管105的栅极耦接至处理电路系统115。处理电路系统115可以例如包括处理器、数字逻辑、状态机等。在一些实施方式中，处理电路系统115可以包括可编程处理器和存储器。
72.第一晶体管105的源极耦接至电压基准120。第一晶体管105的漏极耦接至电路节点110。处理电路系统115可以配置成控制第一晶体管的栅极处的电压以实现源极与漏极之间的电流流动。因此，处理电路系统115可以配置成将电路节点110处的电压电平复位至电压基准120的电压电平，减去跨第一晶体管105的源极-漏极的任何电压下降。
73.图1的示例电路中还描绘了被配置为源极跟随器的另一晶体管125。另一晶体管125的栅极耦接至电路节点110。另一晶体管125的漏极耦接至电压基准120，并且另一晶体管125的源极耦接至测量电路系统130。因此，另一晶体管125作为缓冲器进行操作，使得测量电路系统130能够在不从电路节点110汲取大量的电流的情况下，测量与电路节点110处的电压电平对应的电压电平。
74.在图1的示例实施方式中，测量电路系统130包括电压放大器135和模数转换器140。在使用中，电压放大器135可以被配置成将在另一晶体管125的源极处的电压放大，例如以使用模数转换器140的动态范围的较大的比例。
75.在一些实施方式中，电压放大器135可以包括被配置为非反相运算放大器的运算放大器。
76.模数转换器140可以是本领域已知的任何适当类型，例如δ-σ调制器、逐次逼近模数转换器等。
77.因此，测量电路系统130被配置成测量与电路节点110处的电压电平对应的电压电平。也就是说，测量电路系统130被配置成测量减去跨另一晶体管125的任何电压降的电路节点110处的电压电平。
78.在一些实施方式中，处理电路系统115被配置成控制测量电路系统130和/或从测量电路系统130接收输出。也就是说，在一些实施方式中，处理电路系统115可以将测量电路系统配置成测量电路节点110处的电压电平。
79.图1的示例电路100包括光电二极管150。光电二极管150的阴极耦接至电路节点110，例如耦接至第一晶体管105的漏极110和另一晶体管125的栅极。
80.光电二极管150的阳极耦接至另一电压基准185，另一电压基准185在图1的示例电路100中是接地基准，例如0伏特。
81.电路100的操作如下。在初始时间，第一晶体管105导通，例如，在第一晶体管的栅极处施加电压，以使电流能够从源极流向漏极，从而对光电二极管150充电，并且将阴极(例如，电路节点110)处的初始电压电平设置为由电压基准120限定的电压电平。
82.随后，第一晶体管105关断，从而将光电二极管150的阴极与电压基准120隔离。在一些实施方式中，在第一晶体管105关断时的时间确立积分时段的开始。在其他实施方式中，积分时段可以在第一晶体管105关断之后的时间开始。
83.在一些实施方式中，处理电路系统115包括定时器，或者被配置成作为定时器进行操作来限定积分时段。
84.随着光电二极管150暴露于入射辐射，所生成的光电流使光电二极管150的阴极放电。因此，电路节点110处的电压电平下降。也就是说，光电二极管150被配置成响应于在积分时段期间入射到光电二极管150上的辐射而改变电路节点110处的电压电平。
85.如上所述，电压放大器135和模数转换器140被配置成测量电路节点110处的电压电平。
86.在本发明的实施方式中，处理电路系统115被配置成控制第一晶体管105以将电路节点110处的电压电平复位，并且随后将测量电路系统130配置成在积分时段开始时测量电压电平，然后在积分时段结束时测量电压电平。也就是说，为了减小噪声的影响，处理电路系统115被配置成控制测量电路系统130来执行两次测量。与单次测量相比，这些测量之间的差可以提供对入射在光电二极管150上的辐射的强度的更好指示。也就是说，可以将诸如由于暗电流可能引入的系统误差之类的误差考虑在内。因此，可以对入射辐射的强度进行极高灵敏度的测量。
87.在一些实施方式中，处理电路系统115可以被配置成确定测量之间的差。在这样的实施方式中，可以将来自模数转换器140的输出提供至处理电路系统115。在一些实施方式中，附加地或替选地将来自模数转换器140的输出145提供至另一处理电路系统(未示出)。
88.可以理解的是，尽管图1描绘了单个光电二极管150，但是在一些实施方式中，可以实现多个光电二极管。在一些实施方式中，一个或更多个光电二极管是岛状光电二极管。例如，在一些实施方式中，可以将多个岛状光电二极管布置成网格状或阵列状结构，其具有耦接至电路节点110的公共阴极。
89.下面参照图4更详细地描述岛状光电二极管。岛状光电二极管的显著特征是相对于基于“传统”p-n结的n阱光电二极管或钉扎光电二极管而言极低的电容。因此，放电速率
以及由此岛状光电二极管的阴极处的电压可以从由电压基准120限定的电压电平下降到较低电压电平的速率可以是高的。因此，岛状光电二极管的使用可能导致极灵敏的环境辐射检测，因此需要对在积分时段的开始和结束时电路节点110处的电压电平进行上述测量以最小化误差，例如以确保高灵敏度，同时保持足够高的信噪比。
90.图2描绘了根据本公开内容的另一实施方式的用于感测辐射的电路200的表示。电路200用于高灵敏度辐射感测，并且特别适于在诸如环境光感测、接近感测和闪烁检测的应用中使用，其中入射辐射的强度可以相对低。电路200包括第一晶体管205。第一晶体管205可以配置成将电路节点210处的电压电平复位至由电压基准220限定的电压电平。在一些实施方式中，电压基准220可以是供电轨，例如vdd。
91.第一晶体管205的栅极耦接至处理电路系统215。处理电路系统215可以例如包括处理器、数字逻辑、状态机等。在一些实施方式中，处理电路系统215可以包括可编程处理器和存储器。
92.第一晶体管205的源极耦接至电压基准220。第一晶体管205的漏极耦接至电路节点210。处理电路系统215可以配置成控制第一晶体管205的栅极处的电压，以使电流能够在源极和漏极之间流动。因此，处理电路系统215可以配置成将电路节点210处的电压电平复位至对应于电压基准220的减去跨第一晶体管205的源极-漏极的任何电压下降的电压电平。
93.图2的示例电路200包括光电二极管250。可以理解的是，尽管图2描绘了单个光电二极管250，但是在一些实施方式中，可以实现多个光电二极管。在一些实施方式中，一个或更多个光电二极管是岛状光电二极管。
94.光电二极管250的阴极耦接至电路节点210，例如耦接至第一晶体管220的漏极210。在一些实施方式中，光电二极管250的阴极经由第二晶体管255和/或第三晶体管265耦接至电路节点210，如下文更详细描述的。
95.光电二极管250的阳极耦接至另一电压基准285，在图2的示例电路200中，另一电压基准285是接地基准，例如0伏特。
96.在包括第二晶体管255的电路200的实施方式中，第二晶体管255的栅极耦接至处理电路系统215。第二晶体管255的源极耦接至光电二极管250的阴极。第二晶体管255的漏极直接耦接至电路节点210，或在实现第三晶体管265的实施方式中，第二晶体管255的漏极耦接至第三晶体管265的源极，并且第三晶体管265的漏极耦接至电路节点210。
97.因此，第二晶体管255由处理电路系统215控制，并且可以配置成将光电二极管250与电路200的其余部分隔离，并且特别是与如下所述的测量电路系统230隔离。
98.图2的示例电路200中还描绘了被配置为源极跟随器的第四晶体管225。第四晶体管225的栅极耦接至电路节点210。第四晶体管225的漏极耦接至电压基准220，并且第四晶体管225的源极耦接至测量电路系统230。因此，第四晶体管225作为缓冲器进行操作，使得测量电路系统230能够在不从电路节点210汲取大量的电流的情况下，测量与电路节点210处的电压电平对应的电压电平。
99.在一些实施方式中，测量电路系统230可以包括电压放大器和模数转换器，如图1的电路100的示例测量电路系统130中所描绘的。
100.因此，测量电路系统230被配置成测量与电路节点210处的电压电平对应的电压电
平。也就是说，测量电路系统230被配置成测量减去跨第四晶体管225的任何电压降的电路节点210处的电压电平。
101.在一些实施方式中，处理电路系统215被配置成控制测量电路系统230和/或从测量电路系统230接收输出。也就是说，在一些实施方式中，处理电路系统215可以将测量电路系统配置成测量电路节点210处的电压电平。
102.图2的示例电路200还包括电容器270。电容器270具有耦接至电路节点210的第一端子和耦接至电压基准220的第二端子。
103.可以理解的是，在本公开内容的一些实施方式中，没有实现电容器270。替代地，除了光电二极管250和另一晶体管225的栅极之间的电路200中的任何寄生电容之外，再加上光电二极管250的电容，足以提供用于存储电荷以生成可测量电压的足够电容。
104.电路200的操作如下。在初始时间，第一晶体管205导通，例如，在第一晶体管205的栅极处施加电压，以使电流能够从源极流向漏极，从而对光电二极管250充电，以及如果实现了电容器270，则对电容器270充电，并且将电路节点210处的初始电压电平设置为电压基准220处或附近的电压电平。
105.随后，第一晶体管205由处理电路系统215关断，从而将电路节点210和光电二极管250的阴极与电压基准220隔离。在一些实施方式中，在第一晶体管205关断时的时间确立积分时段的开始。在其他实施方式中，积分时段可以在第一晶体管205关断之后的时间开始。
106.在一些实施方式中，处理电路系统215包括定时器，或者被配置成作为定时器进行操作，以限定积分时段。
107.当光电二极管250暴露于入射辐射时，所生成的光电流使光电二极管250的阴极放电，以及如果实现电容器270，则使电容器270放电。因此，电路节点210处的电压电平下降。也就是说，光电二极管250被配置成响应于在积分时段期间入射到光电二极管250上的辐射而改变电路节点210处的电压电平。
108.还如上文参照图1所述的，在一些实施方式中，处理电路系统215被配置成控制第一晶体管205以将电路节点210处的电压电平复位，并且随后将测量电路系统230配置成在积分时段的开始时测量电压电平，然后在积分时段的结束时测量电压电平。也就是说，为了减小噪声的影响，处理电路系统215可以被配置成控制测量电路系统230来执行两次测量。与单次测量相比，这些测量之间的差可以提供对入射在光电二极管250上的辐射的强度的更好指示。也就是说，可以将诸如由于暗电流可能引入的系统误差之类的误差考虑在内。因此，可以对入射辐射的强度进行极高灵敏度的测量。在一些实施方式中，处理电路系统215可以被配置成确定所述差，例如，将来自测量电路系统230的输出提供至处理电路系统215。在一些实施方式中，附加地或替选地将来自测量电路系统230的输出245提供至另一处理电路系统(未示出)。
109.此外，在包括第二晶体管255的图2的电路200的实施方式中，第二晶体管255也由处理电路系统215控制并且可以配置成将至少一个光电二极管250与测量电路系统230隔离。因此，在一些实施方式中，处理电路系统215被配置成确定在光电二极管250与测量电路系统230隔离情况下由测量电路系统230对电路节点210处的电压电平做出的测量与在光电二极管250与测量电路系统230不隔离的情况下由测量电路系统230对电路节点210处的电压电平做出的测量之间的差。
110.通过在光电二极管250与电路200的剩余部分隔离以及不隔离的情况下执行此类相关测量，测量电路系统230可以被配置成执行考虑了电路中的误差(例如系统误差)的测量。随后，可以从使用光电二极管250进行的辐射强度的测量中减去这样测量的误差。相关测量可以在积分时段之前或之后执行。
111.在一些实施方式中，电路200还包括误差放大器电路275。如果实现此误差放大器电路275，那么此误差放大器电路275被配置成如下文更详细描述的那样将跨至少一个光电二极管250的偏压最小化。有利地，通过将跨光电二极管250的偏压最小化，也可以使来自光电二极管250的泄漏电流最小化，从而减少电路200中的暗电流，并且因此实现对入射辐射的强度水平的更高准确度和更高灵敏度的测量。
112.在图2的示例实施方式中，误差放大器电路275包括具有耦接至光电二极管250的阳极的第一输入和耦接至光电二极管250的阴极的第二输入的运算放大器280。应当理解的是，在实现如上所述的第二晶体管255的实施方式中，到运算放大器280的第二输入将经由第二晶体管255耦接至光电二极管250的阴极，例如耦接至第二晶体管255的漏极，其中，第二晶体管255的源极耦接至光电二极管250的阴极。
113.包括误差放大器电路275的电路200的实施方式还包括第三晶体管265，其中，误差放大器电路275的输出(例如，运算放大器280的输出)耦接至第三晶体管265的栅极。第三晶体管265的源极经由如上所述的在一些实施方式中的第二晶体管255耦接至光电二极管250的阴极，并且第三晶体管265的漏极耦接至电路节点210。
114.有利地，这种布置使得误差放大器电路270能够将跨光电二极管250可能存在的偏压最小化。此外，通过使误差放大器电路275耦接至第三晶体管265的栅极，防止误差放大器电路275将电流朝向电路节点210驱动。也就是说，误差放大器电路275可以被配置成将跨光电二极管250的偏压保持为零伏特或接近零伏特，而不从其汲取任何电流。也就是说，在一些实施方式中，误差放大器配备有自动校零以确保光电二极管的接近零偏压。
115.在一些实施方式中，误差放大器电路275可以配置成提供跨光电二极管250的负偏压。例如，在光电二极管250的阳极与误差放大器共用的电路200的实施方式中，这可以通过向运算放大器280提供负供电电压来实现。
116.在光电检测器250的阳极与误差放大器电路275分离的示例实施方式中，诸如图2中所描绘的，光电二极管250的阳极相对于运算放大器280的返回供应(return supply)可以略微为正。此示例在图2中描绘，其中，接地基准290与另一电压基准285分离。也就是说，在一些实施方式中，为了提供跨光电二极管250的负偏压，在光电二极管250的阳极处的接地基准可以处于比用于到运算放大器280的电力供应的接地基准稍高的电压。
117.也就是说，在一些实施方式中，当考虑到在运算放大器280的输出与光电二极管250的阴极之间的电路内可能存在的任何电压降时，可能需要驱动略微负的电压以完全减小来自跨光电二极管250的偏压。
118.可以理解的是，在一些实施方式中，光电检测器250的阳极可以耦接至运算放大器280，例如，光电二极管250的阳极处的接地基准可以与用于到运算放大器280的电力供应的接地基准处于相同的电压。
119.图3描绘了与图2的用于感测辐射的电路的操作对应的时序图的示例。
120.栅极电压305对应于第一晶体管205的栅极处的电压。可以看出，栅极电压355在
1.8v与0v之间变化，在处于1.8v时电流被禁止在第一晶体管205的源极与漏极之间流动，在0v时允许电流流动以对光电二极管250充电，并且如果实现了电容器270，也对电容器270充电。处理电路系统215被配置成控制栅极电压305。
121.可以理解的是，1.8v仅出于示例的目的而提供，并且在其它实施方式中且取决于所选择的特定技术节点，电压对应于可以从1.8v(例如1.2v、1.5v等)变化的逻辑高电压。
122.栅极电压305处于1.8v时的时段表示积分时段395。也就是说，当栅极电压305处于1.8v时，电路节点210未耦接至电压基准220，并且可以由于光电二极管250中诱发的光电流而开始放电。
123.栅极电压355对应于第二晶体管255的栅极处的电压。可以看出，在每个积分时段395期间，栅极电压355通过处理电路系统215保持在1.8v，从而光电二极管250中的光电流引起通过第二晶体管255的电流流动。
124.在积分时段395之外的时间处，处理电路系统215可以被配置成使栅极电压355无效，从而禁用通过第二晶体管225的电流流动并且将光电二极管250与电路200的其余部分隔离。在第一时间380处，当光电二极管250被隔离时，测量电路系统230可以由处理电路系统215配置成测量电路节点210处的电压。在第二时间385处，当光电二极管250未被隔离时，测量电路系统230可以由处理电路系统215配置成测量电路节点210处的电压。如上所述，通过使用在第一时间380和第二时间385处的两次测量之间的差，可以测量诸如电路200中的暗电流的误差。可以理解的是，在其他实施方式中，在第一时间380和第二时间385处进行的两个测量可以改为以交替的顺序进行。
125.栅极电压365对应于第三晶体管265的栅极处的电压。尽管出于示例的目的，栅极电压365被描绘为恒定的，但是在上述实施方式中，取决于来自光电二极管250的电流，栅极电压365可以从约-100mv变化至+500mv。
126.栅极电压325对应于第四晶体管225的栅极处的电压，并且由此表示电路节点210处的电压。如上所述，为了将电路200中的误差考虑在内，处理电路系统215可以被配置成控制第一晶体管205以将电路节点215处的电压电平复位，并且因此将栅极电压325复位，以及随后将测量电路系统215配置成在积分时段395的开始370和积分时段395的结束375时测量与栅极电压325对应的电压。在图3的示例中，栅极电压325从积分时段395的开始时的约1.8v变化至积分时段390的结束时的约1.4v。可以理解的是，至少部分地由光电二极管250的特性以及(如果电容器270被实现)电容器270的大小来确定在积分时段395上栅极电压325下降的量值。
127.电压330对应于第四晶体管225的源极处的电压。也就是说，电压330对应于栅极电压325减去第四晶体管225的阈值电压。因此，测量电路系统230被配置成测量与电路节点210处的电压对应的电压330，并且在图3的示例中，该电压从约1.2v与0.8v之间变化。
128.图4a描绘了岛状光电二极管400的截面的表示。岛状光电二极管400包括在较大的p阱420或块状p型衬底中实现的多个n阱410a、410b。每个n阱410a、410b通过相关联的耗尽区415a、415b与周围的较大p阱420分离。撞击光电二极管400的光子425可以生成电子-空穴对430。当电子-空穴对430的电子接触任何耗尽区415a、415b时，和/或当在耗尽区415a、415b中形成电子-空穴对430时，由于耗尽区中的固有电场，电子朝向n阱410a、410b传播，从而产生光电流。
129.与已知的其中n阱可以覆盖暴露于入射辐射的光电二极管的区域中的大部分区域或全部区域的n阱光电二极管相比，在岛状光电二极管中，暴露于入射辐射的光电二极管的仅相对小的区域包括n阱。因此，岛状光电二极管的有效区域相对小，并且因此岛状光电二极管的电容也相对小。
130.图4b描绘了图4a的岛状光电二极管400的顶视图的表示。可以看出，岛状光电二极管400包括多个n阱410a-410e，并且n阱410a-410e的总面积显著低于较大的p阱420或块状p型衬底的总面积。
131.多个n阱410a-410e可以通过导体(未示出)连接，从而形成岛状光电二极管400的阴极。
132.由于岛状光电二极管的低电容，图1的电路100或图2的电路200中的这种岛状光电二极管400的实现方式可以产生用于感测辐射的极灵敏电路。也就是说，由于岛状光电二极管的固有的低电容，仅由低强度的入射辐射引起的小光电流可以导致光电二极管的阴极处的电压电平的相对大的变化。这种灵敏度，加上误差放大器电路275的上述特征，对积分时段的开始和结束时的电压电平的测量，以及在光电二极管由第二晶体管255有效地隔离的情况下对电路200中的误差的测量，使得能够实现对低强度入射辐射的极高灵敏度感测。
133.图5描绘了包括电路510的装置500，其中，电路510可以是参照图1和图2如上所述的电路100、200，并且其中，装置500被配置用于以下各项中的至少一项：环境光感测；接近感测；或闪烁检测。装置500例如可以是以下之一：智能电话；蜂窝电话；平板电脑；膝上型电脑。
134.电路510可以耦接至处理器515和/或存储设备。装置500可以包括led显示器520。处理器515可以耦接至led显示器520，并且被配置成控制led显示器520。
135.在一些实施方式中，电路510可以被配置成感测入射到电路510中的一个或更多个光电二极管上的环境辐射530的强度。电路510可以被配置成向处理器515提供与环境辐射530的强度相对应的数据和/或信号。在一些实施方式中，处理器515可以基于感测到的环境辐射530的强度适应性调整led显示器520。例如，处理器可以响应于检测到相对高强度的环境辐射530(例如，阳光直射)而增加led显示器520的亮度。
136.由于如上所述的电路510的高灵敏度，电路510特别适合于感测低水平的环境辐射。例如，在一些实施方式中，电路510的至少一个光电二极管可以设置在被配置成发射辐射540的led显示器520的表面的后方。在这样的实施方式中，电路510的至少一个光电二极管可以被配置成接收传播穿过led显示器520的环境辐射530。
137.尽管已经在以上所提出的特定实施方式方面描述了本公开内容，但是应当理解，这些实施方式仅是说明性的，并且权利要求不限于这些实施方式。本领域技术人员将能够鉴于本公开内容作出修改和替选，设想这些修改和替选落入所附权利要求的范围内。在本说明书中公开或示出的每个特征可以并入任何实施方式中，无论是单独的特征还是与本文公开或示出的任何其它特征的任何适当组合。
138.附图标记列表：
139.100电路278误差放大器电路系统
140.105第一晶体管280运算放大器
141.110电路节点285另一电压基准
142.115处理电路系统305栅极电压
143.120电压基准325栅极电压
144.125另一晶体管330电压
145.130测量电路系统355栅极电压
146.135电压放大器365栅极电压
147.140模数转换器370开始
148.145输出375结束
149.150光电二极管380第一时间
150.185另一电压基准385第二时间
151.150光电二极管395积分时段
152.200电路400岛状光电二极管
153.205第一晶体管410a-410en阱
154.210电路节点415a,415b耗尽区
155.215处理电路系统420p阱
156.220电压基准425光子
157.225第四晶体管430电子-空穴对
158.230测量电路系统500装置
159.245输出510电路
160.250光电二极管515处理器
161.255第二晶体管520led显示器
162.265第三晶体管530环境辐射
163.270电容器540辐射

技术特征：
1.一种用于感测辐射的电路(100，200)，所述电路包括：第一晶体管(105，205)，所述第一晶体管能够被配置成将电路节点(110，210)处的电压电平复位至电压基准(120，220)；测量电路系统(130，230)，所述测量电路系统被配置成测量所述电路节点处的电压电平；至少一个光电二极管(150，250)，所述至少一个光电二极管被配置成响应于在积分时段期间入射到所述光电二极管上的辐射而改变所述电路节点处的电压电平；以及处理电路系统(115，215)，所述处理电路系统被配置成控制所述第一晶体管以复位所述电路节点处的电压电平，并且随后将所述测量电路系统配置成在所述积分时段开始和结束时测量所述电压电平。2.根据权利要求1所述的电路(100，200)，其中，所述处理电路系统(115，215)被配置成基于在所述积分时段开始和结束时的所述电压电平之间的差来确定入射辐射的强度。3.根据权利要求1或2所述的电路(100，200)，其中，所述至少一个光电二极管(150，250)包括岛状光电二极管。4.根据任一前述权利要求所述的电路(100，200)，包括电容器，所述电容器具有耦接至所述电路节点(110，210)的第一端子和耦接至所述电压基准(120，220)的第二端子。5.根据任一前述权利要求所述的电路(100，200)，包括第二晶体管(255)，所述第二晶体管由所述处理电路系统控制，并且能够被配置成将所述至少一个光电二极管(150，250)与所述测量电路系统(130，230)隔离。6.根据权利要求5所述的电路(100，200)，其中，所述处理电路系统(115，215)被配置成确定在所述至少一个光电二极管(150，250)与所述测量电路系统隔离的情况下和在所述至少一个光电二极管不与所述测量电路系统隔离的情况下由所述测量电路系统(130，230)对所述电压电平进行的测量之间的差。7.根据任一前述权利要求所述的电路(100，200)，包括误差放大器电路(275)，所述误差放大器电路被配置成将跨所述至少一个光电二极管(150，250)的偏压最小化。8.根据权利要求7所述的电路(100，200)，包括第三晶体管(265)，其中，所述误差放大器电路的输出耦接至所述第三晶体管的栅极，所述第三晶体管的源极耦接至所述至少一个光电二极管的阴极，并且所述第三晶体管的漏极耦接至所述电路节点(110，210)。9.根据权利要求8所述的电路(100，200)，其中，所述误差放大器电路能够被配置成在所述第三晶体管的栅极处提供负电压。10.根据权利要求8或9中任一项所述的电路(100，200)，其中，所述误差放大器电路的第一输入耦接至所述至少一个光电二极管(150，250)的阳极，并且所述误差放大器电路的第二输入耦接至所述阴极。11.根据任一前述权利要求所述的电路(100，200)，包括被配置为源极跟随器的第四晶体管(225)，其中，所述第四晶体管的栅极耦接至所述电路节点(110，210)，并且所述第四晶体管的源极耦接至所述测量电路系统(130，230)。12.根据任一前述权利要求所述的电路(100，200)，其中，所述处理电路系统(115，215)包括被配置成限定积分时段的定时器。13.一种用于感测辐射的电路(100，200)，所述电路包括：
至少一个光电二极管(150，250)，所述至少一个光电二极管被配置成响应于在积分时段期间入射到所述光电二极管上的辐射而改变电路节点(110，210)处的电压电平；以及测量电路系统(130，230)，所述测量电路系统被配置成测量所述电路节点处的电压电平；晶体管，所述晶体管可以配置成将所述至少一个光电二极管与所述测量电路系统隔离；以及处理电路系统(115，215)，所述处理电路系统被配置成：确定在所述至少一个光电二极管与所述测量电路系统隔离的情况下和在所述至少一个光电二极管不与所述测量电路系统隔离的情况下由所述测量电路系统对所述电压电平进行的测量之间的差；并且基于从所述积分时段结束时测量的电压电平减去所述差来确定所述入射辐射的强度。14.一种用于感测辐射的电路(100，200)，所述电路包括：至少一个光电二极管(150，250)，所述至少一个光电二极管被配置成响应于在积分时段期间入射到所述光电二极管上的辐射而改变电路节点(110，210)处的电压电平；测量电路系统(130，230)，所述测量电路系统被配置成测量所述电路节点处的电压电平；误差放大器电路，所述误差放大器电路被配置成在所述积分时段期间将跨所述至少一个光电二极管的偏压最小化；以及处理电路系统(115，215)，所述处理电路系统被配置成控制所述测量电路系统以测量所述积分时段结束时的所述电压电平。15.一种包括根据任一前述权利要求所述的电路(100，200)的装置(500)，其中，所述装置被配置用于以下中的至少之一：环境光感测；接近感测；或者闪烁检测。

技术总结
公开了用于以高灵敏度感测辐射的电路(100，200)。电路包括第一晶体管(105，205)，该第一晶体管可以配置成将电路节点(110，210)处的电压电平复位至电压基准(120，220)。电路还包括：测量电路系统(130，230)，该测量电路系统被配置成测量电路节点处的电压电平；以及至少一个光电二极管(150，250)，该至少一个光电二极管被配置成响应于在积分时段期间入射到光电二极管上的辐射而改变电路节点处的电压电平。电路还包括处理电路系统(115，215)，该处理电路系统被配置成控制第一晶体管以将电路节点处的电压电平复位，并且随后将测量电路系统配置成在积分时段开始和结束时测量电压电平。配置成在积分时段开始和结束时测量电压电平。配置成在积分时段开始和结束时测量电压电平。


技术研发人员：拉杰什
受保护的技术使用者：艾迈斯-欧司朗股份有限公司
技术研发日：2021.12.08
技术公布日：2023/8/28