[发明专利]带高压保护的雪崩焦平面图像传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种雪崩焦平面图像传感器，尤其涉及一种带高压保护的雪崩焦平面图像传感器。

背景技术

由一定规模的雪崩光电二极管构成的雪崩焦平面探测器阵列，能够在高电压条件下利用碰撞离化效应使光电流发生倍增，从而实现对微弱光信号的放大，由此构成的雪崩焦平面图像传感器将能实现对微弱光的探测成像；

基于现有技术可知，雪崩焦平面图像传感器通常由雪崩焦平面探测器阵列和CMOS读出电路构成，为了实现雪崩放大功能，雪崩焦平面探测器阵列上需要加载几十伏甚至一百多伏的高压偏置电压，这远超出了普通CMOS工艺的耐压能力，在使用中一旦雪崩焦平面探测器阵列中的局部二极管发生短路，高压就会进入CMOS读出电路中，将CMOS读出电路烧毁，为解决此问题，现有技术一般采用特殊的耐高压CMOS工艺来制作CMOS读出电路，由此得到的CMOS读出电路，即使有高压进入也不会发生烧毁；存在的问题是：一方面，耐高压CMOS工艺的工艺成本较高，大幅增加了雪崩焦平面图像传感器的制造成本，另一方面，现有的耐高压CMOS工艺与数模混合或全数字的CMOS读出电路工艺不兼容，后者电源电压一般为3.3~5V，目前尚无利用两种工艺结合实现耐受数十伏以上电压的读出电路的实践。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种带高压保护的雪崩焦平面图像传感器，其特征在于：所述带高压保护的雪崩焦平面图像传感器由雪崩焦平面探测器阵列、CMOS读出电路和多个高压保护单元组成；所述雪崩焦平面探测器阵列包括多个像素单元，所述CMOS读出电路包括多个CTIA型读出单元，多个像素单元与多个CTIA型读出单元一一对应，互相匹配的像素单元和CTIA型读出单元之间均设置有一高压保护单元；所述高压保护单元由限流电阻、隔离电阻和二极管组成；所述限流电阻的一端与像素单元的输出端连接，限流电阻的另一端与A节点连接，隔离电阻的一端与A节点连接，隔离电阻的另一端与CTIA型读出单元的输入端连接；二极管的正极与A节点连接，二极管的负极与限压端口连接；所述二极管的开启电压记为VD，所述限压端口的输出电压记为HVCOM，所述CTIA型读出单元中的放大器上的参考电压记为VR，所述像素单元的工作电压记为Vb，前述的VD、HVCOM、VR和Vb满足如下关系：HVCOM大于VR，（HVCOM+VD）小于Vb；所述限流电阻、隔离电阻和二极管均采用硅集成电路工艺制作。

本发明的原理是：将像素单元的输出端记为B节点、CTIA型读出单元的输入端记为C节点，带高压保护的雪崩焦平面图像传感器正常工作时，A节点、B节点和C节点三者的电位相等，都等于VR，由于HVCOM大于VR，此时二极管处于反偏状态、不导通，从像素单元输出的光生电流可以无损地进入CTIA型读出单元的输入端，经CTIA型读出单元处理后，形成积分电压信号Vout向外输出；当雪崩焦平面探测器阵列发生短路后，像素单元的工作电压Vb就会作用在B节点处，进而使A节点处的电位也随之升高，当A节点处的电位升高至大于（HVCOM+VD）时，二极管就会导通，这时，C节点处的电位就会被钳制在（HVCOM+VD），由Vb所产生的电流就会通过二极管从限压端口输出（在此过程中，限流电阻可以起到限流作用，减小由Vb产生的电流），这就可以避免高压和大电流进入CTIA型读出单元，对后级电路起到保护作用；

本发明的有益技术效果是：提出了一种带高压保护的雪崩焦平面图像传感器，该传感器内设置有高压保护单元，传感器正常工作时，高压保护单元对光生电流无影响，当雪崩焦平面探测器阵列发生短路时，高压保护单元可阻止高压和大电流进入CTIA型读出单元，对后级电路起到保护作用，高压保护单元采用常规的硅集成电路工艺制作，相比于耐高压CMOS工艺，本发明的工艺成本较低。

附图说明

图1、本发明的电气原理示意图（图中虚线框所示单元即为高压保护单元）；

图中各个标记所对应的名称分别为：限流电阻1、隔离电阻2、二极管3、复位开关RST、积分电容C1、放大器AMP。

具体实施方式