光传感器和环境光传感器.pdf

本发明公开了一种操作光传感器的方法，包括：将偏置电压施加至包括串联连接的n(n＞1)个光敏元件(8)的光传感器(12)；及在光传感器上施加的偏置电压将光传感器保持在或接近它具有最大信噪比的点的时候，确定光传感器(12)中的电流。这可通过在光传感器上施加的偏置电压等于或近似等于n×Vbi时确定光传感器中的电流，其中Vbi是这样的偏置电压，即在黑暗中单个所述光敏元件(8)中的电流对于该偏置电压改变符号。在光敏元件(8)为光电二极管的实施例中，偏置电压Vbi为光电二极管的“内建”电压。当照射n个串联的光电二极管时所产生的光电流近似等于当照射一个光电二极管时所产生的光电流。然而，对于n个串联的光电二极管的泄漏电流(如，暗电流)比对于一个光电二极管的泄漏电流低很多。因此，信噪比明显地增加。

1.  一种操作光传感器的方法，包括：将偏置电压施加至包括串联连接的n个光敏元件的光传感器，其中n是大于1的整数；及在光传感器上施加的偏置电压将光传感器保持在或接近于该光传感器具有最大信噪比的点的时候，确定光传感器中的电流。

2.  根据权利要求1所述的方法，进一步包括：不考虑光传感器上的亮度级，在光传感器上保持恒定偏置电压的另一步骤。

3.  根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括：在光传感器上施加的偏置电压等于或近似等于n×V_bi时，确定光传感器中的电流，其中V_bi是这样的偏置电压，即在黑暗中单个光敏元件中的电流对于该偏置电压改变符号。

4.  根据权利要求3所述的方法，其中施加所述偏置电压的步骤包括：施加等于或近似等于n×V_bi的恒定偏置电压。

5.  根据权利要求3所述的方法，包括：在光传感器上施加的偏置电压等于或近似等于零时确定光传感器中的电流。

6.  根据权利要求5所述的方法，其中施加该偏置电压的步骤包括：施加等于或近似等于零的恒定偏置电压。

7.  根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的方法，其中n≥10。

8.  根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的方法，其中n≥20。

9.  根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的方法，其中n≥50。

10.  根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的方法，其中n≥100。

11.  根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中每个光敏元件为光电二极管。

12.  根据权利要求11所述的方法，其中每个光敏元件为横向光电二极管。

13.  根据权利要求1至10中的任一项所述的方法，其中每个光敏元件为光电晶体管。

14.  根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中每个光敏元件为薄膜光敏元件。

15.  根据权利要求14所述的方法，其中每个光敏元件为硅薄膜光敏元件。

16.  根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述光敏元件名义上相互等同。

17.  根据前述权利要求中的任一项所述的方法，进一步包括：在运算放大器的第一输入和运算放大器的第二输入之间串联连接所述n个光敏元件。

18.  根据前述权利要求中的任一项所述的方法，进一步包括：在运算放大器的第一输入和运算放大器的输出之间串联连接所述n个光敏元件。

19.  一种操作显示设备的方法，包括如下步骤：根据权利要求1至18中任一项限定的方法感测环境光强度；及根据来自所述光传感器的输出来控制所述显示设备的背光强度。

20.  一种光敏系统，包括：包括串联连接的n个光敏元件的光传感器，其中n是大于1的整数；用于向所述光传感器施加偏置电压的偏置装置；和确定装置，该确定装置用于在当光传感器上施加的偏置电压将光传感器保持在或接近于该光传感器具有最大信噪比的点的时候确定光传感器中的电流。

21.  根据权利要求20所述的光敏系统，其中，所述偏置装置适于：不考虑光传感器上的亮度级，在光传感器上保持恒定偏置电压。

22.  根据权利要求20或21所述的光敏系统，其中，所述确定装置适于：当偏置装置在光传感器上施加等于或近似等于n×V_bi的偏置电压时，确定光传感器中的电流，其中V_bi是这样的偏置电压，即在黑暗中单个光敏元件中的电流对于该偏置电压改变符号。

23.  根据权利要求21或22所述的光敏系统，当从属于权利要求21时，其中，在使用中所述偏置装置施加等于或近似等于n×V_bi的恒定偏置电压。

24.  根据权利要求20、21、22或23所述的光敏系统，其中所述确定装置适于：当所述偏置装置在光传感器上施加等于或近似等于零的偏置电压时，确定光传感器中的电流。

25.  根据权利要求21或24所述的光敏系统，当直接或间接从属于权利要求21时，其中，所述偏置装置适于施加等于或近似等于零的恒定偏置电压。

26.  根据权利要求20至25中的任一项所述的光敏系统，其中n≥10。

27.  根据权利要求20至25中的任一项所述的光敏系统，其中n≥20。

28.  根据权利要求20至25中的任一项所述的光敏系统，其中n≥50。

29.  根据权利要求20至25中的任一项所述的光敏系统，其中n≥100。

30.  根据权利要求24所述的光敏系统，或当从属于权利要求24时根据权利要求25至29中的任一项所述的光敏系统，进一步包括与第一光传感器并联的第二光传感器，所述第二光传感器包括串联连接的n个光敏元件，其中所述第二光传感器以与所述第一光传感器相反的指向进行连接。

31.  根据权利要求30所述的光敏系统，其中在第一光传感器的中间元件节点和第二光传感器的对应的中间元件节点之间设置至少一个交叉连接。

32.  根据权利要求20至31中的任一项所述的光敏系统，其中每个光敏元件为光电二极管。

33.  根据权利要求32所述的光敏系统，其中每个光敏元件为横向光电二极管。

34.  根据权利要求20至31中的任一项所述的光敏系统，其中每个光敏元件为光电晶体管。

35.  根据权利要求20至34中的任一项所述的光敏系统，其中每个光敏元件为薄膜光敏元件。

36.  根据权利要求35所述的光敏系统，其中每个光敏元件为硅薄膜光敏元件。

37.  根据权利要求20至36中的任一项所述的光敏系统，其中所述光敏元件名义上相互等同。

38.  根据权利要求20至37中的任一项所述的光敏系统，其中，在运算放大器的第一输入和运算放大器的第二输入之间串联连接所述n个光敏元件。

39.  根据权利要求20至37中的任一项所述的光敏系统，其中，在运算放大器的第一输入和运算放大器的输出之间串联连接所述n个光敏元件。

40.  根据权利要求20至39中的任一项所述的光敏系统，其中所述偏置装置和所述确定装置包括在单一电路中。

41.  一种显示系统，包括：具有背光的显示设备；如权利要求20至40中的任一项所限定的用于感测环境光强度的光敏系统；和用于根据所述光敏系统的输出来控制所述显示设备的背光强度的控制装置。

光传感器和环境光传感器
技术领域
本发明涉及一种光传感器，例如用于用作环境光传感器。这样的传感器例如与有源矩阵液晶显示器(AMLCD)一起使用。
背景技术
例如，AMLCD可能是透射显示器，该透射显示器由设置在该显示器背向观众的一侧上的背光进行照明。可替换地AMLCD可以是透反射显示器，该显示器可由低环境照明条件中的背光或由亮的环境光条件中所反射的环境光进行照明。希望根据环境光条件控制背光的强度，使得显示在AMLCD上的图像对观众总是清晰可见的但不是不舒服的刺眼的光。进一步考虑的是，特别在结合进例如移动电话等移动设备中的AMLCD的情况中，非常希望降低背光的功耗，以使电池寿命最大化。因此，在透反射显示器的情况中，较佳是以低强度在很低的环境光条件下操作背光，以较高强度在中度环境光条件中操作背光，以确保图像保持为对观众可见，且确保图像在明亮得足以仅采用反射的背光提供显示的图像的环境照明条件中关断背光。
因此，已知提供具有环境光传感器(ALS)系统的移动AMLCD设备，并根据ALS系统的输出控制背光的功率水平。为了能够检测从高阳光亮度至接近黑暗的整个范围的环境光条件，例如ALS系统要求高的动态范围且这使整个宽的工作温度范围的低的亮度级(light level)的检测成为必要。典型地，需要ALS系统对入射亮度级的宽的范围和移动LCD设备的典型的工作温度范围是敏感的。
根据成本和机械观点，有利的是将ALS系统的所有元件，包括光检测元件本身统一集成在显示器的TFT(薄膜晶体管)基板上。然而，对ALS系统来说，采用统一集成在显示器基板的ALS系统，难以实现所需要的敏感度，特别在低的亮度级。这是由于在多晶硅工艺中制造的光检测元件的相对差的性能，该多晶硅工艺例如是在典型的显示器FTF基板的制造中使用的多晶硅工艺。
传统的环境光传感器系统可采用离散的光检测元件或它们可采用集成在显示器基板上的光检测元件。在离散的光检测元件的情况中，确定用于制造该元件的工艺技术的最佳特性，用于使设备的灵敏性最大化。然而，在集成光检测元件的情况中，例如在集成在CMOS集成电路(IC)上的情况中的光检测元件，该工艺技术是在使光检测元件的灵敏性最大化和使外围电路的性能最大化之间的一种折中。
在具有统一集成的环境光传感器的AMLCD的情况中，所采用的基础光检测设备必须与使用在显示器TFT基板的制造中的制造工艺相兼容。所熟知的与标准TFT工艺兼容的光检测设备是横向薄膜多晶硅p-i-n二极管，其结构在图1中的剖面图中示出。
在图1的薄膜p-i-n二极管中，硅层3沉积在基板1上，在硅层和基板1之间可存在一个或多个中间层，且图1中示出这样的一个中间层2。硅层3沉积作为本征(如，没有故意掺杂)层，且随后硅层3的端部区域3a进行p-型掺杂，并且硅层3的其它端部区域3b进行n-型掺杂。硅层的剩余部分保留为本征硅的区域3c。栅绝缘层4和介质层5生长在衬底1和硅层3上，且随后通孔形成在栅绝缘层4和介质层5中，以暴露硅层的p-型和n-型掺杂区域3a、3b。最后，提供电极6、7，以分别接触硅层的p-型和n-型掺杂区域3a、3b。
图2是图1中采用的p-i-n二极管的示意图。该器件的详细操作较复杂，但简言之，当在整个电极6、7上保持的偏压V₀是作为参照的负压时(如图2所示，其中V_正极是施加至正极的负压，且该器件的负极接地)，形成光敏耗尽区A、B，一个位于p-型硅区域3a和本征区域3c之间的界面处，且另一个位于n-型硅区域3b和本征区域3c之间的界面处。当对该器件进行照明时，一些入射光子通过在光电效应吸收在半导体材料中，每个光子被吸收而产生(至少)一个电子-空穴对。这样的光生电子-空穴对，称为载流子，将在遍及该器件的所照明的体积内产生。然而，通常仅在耗尽区产生的，或者足够接近耗尽区以能够扩散进耗尽区的载流子能够对光生电流起作用，且因此由该器件检测到。在图2中，仅来自耗尽区A的电子和来自耗尽区B的空穴对光电流起作用，这是因为位于该器件中部的未耗尽的本征区域3c中的载流子寿命较短，且因此在耗尽区电场的影响下扫进未耗尽的本征区域3c中的载流子将几乎不可避免地重新结合。
在提供集成的ALS系统中的一个问题是在多晶硅TFT工艺中制造的光电二极管具有比在体效应技术(bulk technologies)(如CMOS)中制造的光电二极管具有相对低的灵敏性，这是由于两个主要原因：
首先，光敏的半导体材料的体积(器件的耗尽区)通常相对小。特别是通常材料的薄膜层的深度设计为仅有数十个纳米，且由此导致的结果是，大部分照明发光通过器件而未被吸收，并且不能被检测。
第二，由薄膜器件产生的暗电流趋向于比在体效应器件中产生的高。定义为在不存在照明的条件下的二极管泄露电流的暗电流同时高度依赖于温度和穿过器件的电场。因此，它还对施加至光电二极管正极端和负极端的电势差极其敏感。
因此，包括薄膜多晶硅光电二极管的环境光传感器很可能呈现差的灵敏性和低的动态范围。
EP1394859描述了在p-Si TFT工艺中的横向光电二极管的制造，同时采用用于抑制泄露电流的新颖工艺技术。然而，在电路结构中的这种器件结构仍然以其中横向电场相当高的模式操作横向光电二极管。因此，泄露电流将仍然相对较高。因此，虽然所描述的工艺技术在降低泄露电流中可能是有效的，但所描述的结构不可能充分地增加在高动态范围ALS系统中使用的光电二极管的灵敏性。
S.V.Karnik等在2001的“SPIE进展”第4295卷中的“新颖的多个横向多晶硅p⁺-n-n⁺和p⁺-p-n⁺二极管(Novel multiple lateral Polysilicon p⁺-n-n⁺and p⁺-p-n⁺ Diodes)”(120-124页，平板显示技术和显示方法II)中描述了在前向和反向偏压工作模式中串联连接为电路元件的多晶硅薄膜二极管的使用。这样的结构的主要优点在于串联连接结构的反向偏压模式中的泄露电流降低了。然而，没有提及将这些结构用作光电二极管。
作为上述描述的光检测元件，AMLCD中的实际环境光传感器将还包括：
(a)用于控制光检测元件并感应光生电荷的偏压电路；和
(b)用于供给表示测量的环境光亮度的输出信号(数字或模拟)的输出电路。
显示器将进一步包括(c)用于基于所测量的环境光亮度调整显示器工作的装置，例如通过控制背光强度。
已知有多种合适类型的输出电路(如分别用于模拟或数字输出的放大器或模拟-数字转换器)。类似地，基于所测量的环境光亮度动态调整背光强度的概念是已知的，例如在WO2005076253A1或由K.Maeda等在“SID进展2005”第XXXVI卷第1章第356页中的“具有单片集成电路环境光传感器系统的系统LCD”(“The System LCD with MonolithicAmbient-Light Sensor System”，Proceeding of SID 2005，Vol.XXXVI，Book 1，p356)中公开。
目前的ALS系统的局限性，特别是单块集成系统的局限性不仅取决于光检测器件(如上所述)，还取决于用来控制它们的工作的偏压电路的性能水平。偏压电路应当设置为稳定地控制光电检测器件的工作，使得理想地，它使光电检测器件的灵敏性最大化，并允许将被检测的稳定的光电检测器件电流不受光电检测器件和/或偏压电路的元件的制造中的工艺变化、电干扰和温度效应的影响。
US2005/134715描述了一种包括光电二极管加上集成电路的有源像素传感器，采用该集成电路，反馈用来最佳地偏压光电二极管，以最大化光电二极管的灵敏性。这种方法的缺点是，为了用于调整整个光电二极管的工作偏压，需要中断至光电二极管的照明供给。此外，所描述的电路实施例难以以需要的精确度在多晶硅中复制。
Maeda等(上文)描述了一种结合有环境光传感器的LCD，该环境光传感器包括横向p-i-n光电二极管和直接集成在显示器基板上的模拟处理电路。在该文献中公开的偏压电路在整个光电二极管终端施加高电势，因此产生相当多的光电二极管暗电流并限制了系统的灵敏性。
EP1128170和US2005/0205759都描述了一种方法，采用该方法，测量通过光电二极管的电流，并将该电流与参考值进行比较。随后根据所测量的电流是否高于或低于这个预定参考值，调整光电二极管偏压电路。EP1128170描述了如何在相对宽的范围内能够调整光电二极管，以处理入射光亮度中的较大的变化。因此，通过选择合适的参考值，能够在它的最佳灵敏区以低的入射光亮度操作光电二极管，但是对于较高的入射光亮度，可改变偏置电压，以避免输出信号的饱和。US2005/0205759特别涉及一种通信系统中的光学接收器，并描述如何能够动态控制光电二极管偏置电压，以优化任何检测性能参数的值。
类似地，US2003/0122533描述了一种基于产生的电流的测量控制施加至整个光电二极管的偏压的电路。在这个例子中，所描述的偏压电路满足在大的范围内改变施加的偏压的需要。所采用的用于确定所设定的偏压的方法与EP1128170和US2005/0205759类似，且基于光电二极管电流的检测和反馈机制的使用。
通常，上述偏压方式将不能应用于利用集成薄膜光电二极管的ALS。此外，不清楚包括光电二极管电流的检测的反馈机制是否足够利于精确的光电二极管偏压，以满足采用集成薄膜光电二极管的ALS系统的灵敏性要求。
GB1175517公开了一种由多个串联连接的光敏体形成的光传感器。在工作中，偏置电压施加至光传感器的组合和负载电阻。
US5117099描述了一种配置，采用该配置，从电流域中减去来自检测和参考光电二极管的电流。这通过环形配置检测和参考光电二极管来实现，其中检测光电二极管的正极连接至参考光电二极管的负极，并且检测光电二极管的负极连接至参考光电二极管的正极。这对环境温度和漫射光的变化提供了补偿。
发明内容
本发明的第一方面提供一种操作光传感器的方法，包括：将偏置电压施加至包括串联连接的n个光敏元件的光传感器，其中n是大于1的整数；及在光传感器上施加的偏置电压将光传感器保持在或接近它具有最大信噪比的点的时候，确定光传感器中的电流。
术语“串联连接”是指：其中一个光敏元件的正极连接另外的光敏元件的负极(在多于两个光敏元件的情况中)，该光敏元件的正极依次连接其它的光敏元件的负极的任何配置。术语“串联连接”是包括n个光敏元件限定在单个半导体区域中的情况和n个光敏元件限定在分离的半导体区域中的情况。
与EP1128170、US2005/0205759和US2003/0122533的偏置方法相比，不考虑亮度级，将该光传感器简单地偏置在或接近它的最佳工作灵敏点。
使用多个串联的光敏元件具有降低被要求为在它们的最佳灵敏区域操作光敏元件的偏置精度的效果。当用于光传感器的偏压电路整体集成在显示器基板上且包括例如在多晶硅工艺中制造的薄膜晶体管(TFTs)时，在所要求的偏置精度中的所述降低是最重要的。典型地，这样的TFT呈现出导致不可预知的电路性能的大的工艺变化。通过采用多个串联的光敏元件，根据本发明的方法降低要求为在它们的最佳灵敏区域中操作光敏元件的偏置精度，将偏置精度降低至可采用单块集成偏压电路的点。
该方法可包括在光传感器上施加的偏置电压等于或近似等于n×V_bi时确定光传感器中的电流，其中V_bi是这样的偏置电压，即在黑暗中单个所述光敏元件中的电流对于该偏置电压改变符号。
该偏置电压V_bi也是在黑暗中单个光敏元件中的电流为零的偏置电压。
在光敏元件为光电二极管的情况中，偏置电压V_bi为单个光敏元件的“内建电压”。如同所熟知的，光电二极管的“内建电压”为必须施加到整个设备终端上使暗电流为零的偏置电压。对于所施加的内建电压的正的偏压，产生正向(正的)电流。对于内建电压的负的偏压，二极管电流为反向(负的电流)。光电二极管的“内建”电压为光电二极管中的暗电流具有它的最小值时的偏置电压。
在光敏元件为光电晶体管的情况中，偏压将会施加至光电晶体管的源极和漏极之间，使得对于黑暗中的器件，在源极和漏极之间没有电流流过。所施加的源极至漏极的偏压的值可依赖于施加至光电晶体管的栅极的电压，其中在该值附近电流改变符号。
光传感器的“暗电流”为当不照射光传感器时由光传感器产生的电流，“暗电流”还称为“泄露电流”。
施加偏置电压的步骤可包括施加等于或近似等于n×V_bi的恒定偏置电压。
该方法可包括在光传感器上施加的偏置电压等于或近似等于零时确定光传感器中的电流。
施加偏置电压的步骤包括施加等于或近似等于零的恒定偏置电压。
串联的光敏元件的数目n可以为10或更多。它可以为20或更多。它可以为50或更多。它可以为100或更多。
每个光敏元件可以为光电二极管，例如横向光电二极管。可选择的，每个光敏元件可以为光电晶体管。
每个光敏元件可以为薄膜光敏元件。它可以为硅薄膜光敏元件。
光敏元件可以名义上相互等同。
该方法可包括在运算放大器的第一输入和运算放大器的第二输入之间串联连接n个光敏元件。通过设置合适的反馈(例如，单位增益或积分器)，这是在整个光敏元件上提供零偏置电压的一种便利的方法。
该方法可包括在运算放大器的第一输入和运算放大器的输出之间串联连接n个光敏元件。通过设置合适的反馈(例如，单位增益)，这是在整个光敏元件上提供零偏置电压的一种便利的方法。
本发明的第二方面提供一种操作显示设备的方法，包括：根据第一方面的方法感测环境光；及根据来自所述光传感器的输出控制所述显示设备的背光强度。
本发明的第三方面提供一种光敏系统，包括：包括串联连接的n个光敏元件的光传感器，其中n是大于1的整数；用于向所述光传感器施加偏置电压的偏置装置；和确定装置，该确定装置用于在当光传感器上施加的偏置电压将光传感器保持在或接近它具有最大信噪比的点的时候确定光传感器中的电流。
偏置装置适合于不考虑光传感器上的亮度级在所述光传感器上保持恒定偏置电压。
确定装置适合于在偏置装置在光传感器上施加等于或近似等于n×V_bi的偏置电压时确定光传感器中的电流，其中V_bi是这样的偏置电压，即在黑暗中单个所述光敏元件中的电流对于该偏置电压改变符号。
在使用中，偏置装置可施加等于或近似等于n×V_bi的恒定偏置电压。
确定装置适合在所述偏置装置在光传感器上施加等于或近似等于零的偏置电压时确定光传感器中的电流。
偏置装置适合施加等于或近似等于零的恒定偏置电压。
串联的光敏元件的数目可以为10或更多。它可以为20或更多。它可以为50或更多。它可以为100或更多。
该系统进一步可包括与第一光传感器并联的第二光传感器，所述第二光传感器包括串联连接的n个光敏元件，其中所述第二光传感器以与所述第一光传感器相反的指向进行连接。
在第一光传感器的中间元件节点和第二光传感器的对应的中间元件节点之间可设置至少一个交叉连接。
每个光敏元件可为光电二极管。它可为横向光电二极管。
每个光敏元件可为光电晶体管。
每个光敏元件可为薄膜光敏元件。
每个光敏元件可为硅薄膜光敏元件。
光敏元件在名义上可相互等同。
n光敏元件可在运算放大器的第一输入和运算放大器的第二输入之间串联连接。
n光敏元件可在运算放大器的第一输入和运算放大器的输出之间串联连接。
偏置装置和确定装置可包括在单一电路中。
本发明的第四方面提供一种显示系统，包括：具有背光的显示设备；如第三方面的用于感测环境光强度的光敏系统；和用于根据所述光敏系统的输出控制所述显示设备的背光强度的控制装置。
将参照附图描述本发明的较佳实施例。
附图说明
图1是横向p-i-n光电二极管的剖视图。
图2示出图1的横向p-i-n光电二极管的操作。
图3示出在黑暗中和当照明时，图1的横向p-i-n光电二极管的典型的电流-电压(I-V)特性。
图4是图3的I-V特性的局部放大图。
图5示出作为用于图1的横向p-i-n光电二极管的施加的偏压的函数的典型的光生电流与暗电流之比。
图6(a)示出在黑暗中和当照明时，100个串联横向光电二极管的典型的电流-电压特性。
图6(b)示出在黑暗中和当照明时，10个串联横向光电二极管的典型的电流-电压特性。
图7用示意图示出耗尽区的结构和关于串联横向光电二极管的所产生的载流子的运动。
图8(a)示出作为关于100个串联横向光电二极管的施加的偏压的光生电流与暗电流之比。
图8(b)示出作为关于10个串联横向光电二极管的施加的偏压的光生电流与暗电流之比。
图9示出根据本发明第一实施例的光敏系统。
图10示出根据本发明第二实施例的光敏系统。
图11示出根据本发明第三实施例的光敏系统。
图12示出根据本发明第四实施例的光敏系统。
图13示出根据本发明第五实施例的光敏系统。
图14示出图13的光敏系统的工作原理。
图15示出根据本发明第六实施例的光敏系统。
图16示出根据本发明第七实施例的光敏系统。
图17示出集成在AMLCD上的环境光传感器系统。
具体实施方式
本发明的基本观念是两部分。首先，本发明包括测量光敏元件的光生电流，同时将光敏元件保持在或靠近它已经具有最大信噪比的点。第二，串联连接的多个光敏元件的结构用来放宽偏压要求，以便可采用单块集成偏压电路。
将参照例子描述本发明，在这些例子中光敏元件是光电二极管。然而，本发明不限于采用光电二极管，且可采用其它光敏元件，例如光电晶体管。
在当照射光电二极管时所产生的光电流与不照射光电二极管时的泄露电流(或暗电流)之比最大化时，光电二极管的灵敏性最大化。图3示出光电二极管的典型的I-V特性，其中以虚线示出光电流，且以实线示出泄露电流。可以看出，当施加的偏压非常接近零伏特时，光电流与泄露电流之比为最大。
图4是光电二极管的典型的I-V特性的局部放大图，其中施加的偏置电压接近零伏特。实线为泄露电流(如，在黑暗中的响应)，虚线为关于高照明亮度的光电流，且方形线为关于低照明亮度的光电流。图4中泄露电流(实线)和关于高照明亮度的光电流(虚线)对应于图3中示出的泄露电流和光电流。
可以看出，泄露电流的量级具有很窄的槽形，它的最小值在对应于二极管的内建电压V_bi的偏置电压处。对于多晶硅薄膜光电二极管，V_bi具有非常接近零伏特的值。对于等于V_bi的偏置电压的泄露电流中的最小值对应于一点，在该点泄露电流的方向与黑暗中的器件一起改变。在光电流也改变符号的地方光电流具有类似的最小值，但是关键是这对于不同的施加偏压，上述情形发生在，光电流最小值出现在偏置电压等于表示为V_OC的开路电压时。V_OC的值依赖于光照亮度(如图4中所示出的)和温度。
图5示出信噪比(SNR)，对于具有图3示出的I-V特性的光电二极管，该信躁比定义为光电流与泄露电流之比。图5示出关于SNR的两条曲线，且这些是关于图4的高和低照明亮度的。可以看出，如果光电二极管被偏压至接近内建电压V_bi，则信噪比很高，且在这个偏压区域的工作，传感器的灵敏性被最大化。
而且，由于内建电压V_bi接近零，通过在零伏特偏压光电二极管，可获得高的信噪比。因此，如果光电二极管在零伏特偏置，与在其它施加的偏置电压的情况相比，原则上有可能检测相当低的入射照明亮度。然而，实际上，用来产生0V偏置电压的偏压电路事实上将产生V_A＝0±δV的非零偏置电压，且因此，为了充分利用SNR峰值，应当最小化δV。为了用于关于这种特殊照明亮度的将被实现的60dB的动态范围，图5的SNR中的峰值的典型宽度要求δV<1mV。在完全单块集成方案中，将光电二极管偏压至这个精度是相当大的挑战，其中如上所述，在该单块集成方案中偏压电路根据示出源于实质的工艺变化的性能变化的TFT进行构造。而且，在宽的照明亮度范围内将光电二极管偏压至必要的精度是必要的，且图5示出，当照明亮度变低时，SNR曲线变的更窄。
因此，本发明采用串联连接的多个光电二极管的结构，以放宽关于偏置电压所要求的精度。
通过将图4示出单个光电二极管的I-V特性与图6示出串联连接的100个光电二极管的I-V特性进行比较，可以看出配置串联的多个光电二极管的效果，其中所述100个光电二极管中每个单独的光电二极管具有图3或4的I-V特性。图6(a)示出在黑暗中对于高照明亮度和对于低照明亮度的I-V特性。应当注意接下来的特征。首先，且最重要的是，接近偏置电压0V的泄露电流中的槽形被加宽。其次，在照明条件下的断路电压增加(至图6(a)中示出的最大偏置电压之上)。第三，通过配置串联的多个光电二极管，不改变对于施加的V₀＝0V的偏置电压的光电流。当光电二极管阵列在V₀＝0V偏压时，光电流与照明亮度成比例，但不依赖于串联的光电二极管的数目。
这些现象可参照图7进行解释，图7是串联的横向p-i-n光电二极管的工作的示意图。每个光电二极管8包括由本征硅区域3c分开的p-型硅区域3a和n-型硅区域3b。两个耗尽区9、10形成在每个光电二极管中，一个位于p-型硅区域3a和本征区域3c之间的界面，且另一个位于n-型硅区域3b和本征区域3c之间的界面，因此，与串联连接的n个光电二极管一起，形成总共2n个耗尽区，每个光电二极管具有两个耗尽区。每个光电二极管通过欧姆连接(ohmic connection)11连接至相邻的光电二极管。(虽然上述描述涉及的“串联光电二极管”，在实际中，通过合适地掺杂硅层区域，以定义p-型区域3a、n-型区域3b和欧姆区域11，而形成光电二极管8)。
当照射该器件时，通过光电效应，一些入射光子在半导体材料中吸收，每个吸收的光子产生(至少)一个电子-空穴对。然而，需要注意的关键点是，仅对总电流的纯粹的贡献将来自图7的左手端处的耗尽区A中产生的电子，或者来自图7的左手端处的耗尽区B中产生的空穴。所有其它的载流子，无论是热产生的或通过吸收光子产生的，在将耗尽区分开的本征区域中将具有很高的重新结合的可能性。因此，将多个光电二极管设置为串联并不增加当照射串联的光电二极管阵列时所产生的光电流，通过比较图2和图7可以看出，两个耗尽区在两种情况中对光电流起作用。比较图4和图6(a)，当照射在0V偏压的100个串联的光电二极管时所产生的光电流事实上近似等于当照射在0V偏压的一个光电二极管时所产生的光电流。
然而，与在单个光电二极管上施加偏置电压V_A相比，通过串联连接n个光电二极管，并施加偏置电压V_A，在遍及单独的耗尽区上所下降的总偏置电压已经以因数n降低。偏置电压中这种降低还具有降低通过每个耗尽区的电场的效果。结果，热产生的载流子以相当小的漂移速度被扫开，并且因此在它们离开耗尽区之前具有相当高的重新结合的可能性。因此，对于n个串联的光电二极管，内建电压V_bi周围的泄露电流中的槽形被加宽很多-即，对于接近0V的偏置电压，n个串联光电二极管的泄露电流比一个光电二极管的泄露电流要低很多。这可通过将图4中示出的一个光电二极管的接近零的偏置电压的泄露电流(实曲线)与图6(a)中示出的接近零偏压的100个串联光电二极管的泄露电流(实曲线)进行比较而看出。
如上所述，光电流具有最小值，该最小值不以V_bi为中心，而以断路电压V_OC为中心。将n个光电二极管放置为串联的效果是V_OC以因素n增加，这是由于断路电压在遍及每个光电二极管上下降。
从图4和6(a)可以看出，将100个光电二极管串联连接增加了接近0V的偏置电压值的信噪比。而且，接近0V偏置电压的泄露电流中最小值被加宽。例如，在图6(a)中，采用在接近0.015V范围的偏置电压，可获得10^-15A或以下的泄露电流，光电流与泄露电流之比为10⁴:1或以上。因此，多个光电二极管串联的结构将用于偏压电路的精度放宽至可实现的水平。另一个优点是光电流对施加的偏置电压接近0v的依赖程度降低。这具有使所检测的光电流在偏置电压的精确值先前不知道的情况中更容易再生的优点。
这些优点还可以在图8(a)中看出，图8(a)示出作为所施加的偏置电压的函数的对于100个串联的光电二极管的光电流与泄露电流之比(如，信噪比SNR)。图8(a)示出对于图6(a)的高照明亮度和低照明亮度的SNR。可以看出，与图5中示出的对于单个光电二极管的SNR曲线相比，峰值的量级已经增加了，且峰值宽度已经加宽了。
使用串联或层叠的光电二极管是已知的。然而，在现有技术中，串联或层叠已经用作增加所产生的光电流的量级的手段。然而，在本发明中，n个光电二极管的串联用来降低光传感器必须偏压以获得最大信噪比的精度，且还增加信噪比的最大值。
图9是根据本发明一个实施例的光敏系统的示意图。本发明的光敏系统包括包含串联连接的n(n>1)个光敏元件的光传感器、用于将偏置电压施加至光传感器的偏置装置，和用于在当遍及光传感器的施加的偏置电压将光传感器保持在或接近它具有最大信噪比的点的时候确定光传感器中的电流的确定装置。
在该实施例中，多个n个光电二极管8串联连接，以形成串联的光电二极管阵列12。在该实施例中，用于将偏置电压施加至光传感器的偏置装置和用于确定光传感器中电流的确定装置包含在单一电路中(图9的测量电路13中)。光电二极管阵列12的输出端连接至测量电路13。
测量电路13配置为测量在当遍及光电二极管阵列12的施加的偏置电压将光电二极管阵列12保持在或接近它具有最大信噪比的点的时候流过光电二极管阵列12的电流。在该实施例的优选结构中，测量电路13配置为当遍及光电二极管阵列12的偏压为V_A＝n V_bi时测量流过光电二极管阵列12的电流，其中n是串联连接的光电二极管的数目，且V_bi是单个光电二极管的内建电压。
如上所述，与现有技术相比，该实施例使灵敏性大大提高。而且，不仅电路13将光电二极管8保持在它们的最敏感区域，而且使用串联光电二极管阵列12还降低要求电路13将偏置电压V_A保持在它的所想要的值的精度。因此，即使在存在来自与包括在多晶硅工艺中制造的TFT的电路13相关的设计性能的重大偏离的情况下，高的动态范围输出是可能的。
电路13可在遍及光电二极管阵列12上保持V_A＝n V_bi量级的恒定偏置电压。可替换地，电路13可在遍及光电二极管阵列13上产生随时间变化的偏置电压，提供为，首先，在必要时，偏置电压的值取值为V_A＝n V_bi，且其次，电路13仅在当偏置电压的值等于或近似等于值V_A＝n V_bi的时候测量流过光电二极管阵列12的电流。
光电二极管8可以是横向光电二极管，例如p-i-n横向光电二极管。它们可以是薄膜光电二极管，例如硅薄膜光电二极管，使得光电二极管阵列具有图7中示出的通常结构。
优选地，n个光敏元件名义上相互等同(即，在制造容许量的限制内，它们优选是相互等同的)。
选择光电二极管阵列12中的光电二极管8的数目n以提供所想要的信噪比，和/或确保将信噪比保持在给定值之上的偏置电压中所要求的容许量δV比由电路13输出的偏置电压中可能的波动大。为了应用于将要用于在移动LCD设备中的ALS系统中，很可能的是阵列12将包含至少100个光电二极管。然而，对于较少要求的场合，阵列12可包括比这个少的光电二极管，例如，50个或更多个光电二极管，20个或更多个光电二极管，10个或更多个光电二极管。
在图9的实施例中，用于将偏置电压施加至光传感器的偏置装置和用于确定光传感器中的电流的确定装置都包括在单一电路中，即在图9的测量电路13中，然而在原则上，用于偏置光电二极管阵列12的偏压电路和用于测量流过光电二极管阵列12的确定电路可提供为分离的电路。
在实际中，薄膜横向多晶硅光电二极管呈现出可忽略的小的内建电压。因此，在该实施例中和在所有后续实施中，可以采用V_bi大致等于0V的接近值。因此，优选地，采用提供0V或接近0V的恒定偏置电压的电路13，或者提供随时间变化的偏置电压的电路13，该电路13对流过光电二极管阵列的电流的测量限制在偏置电压大致等于0V的时候。例如，该电路可提供随时间正弦变化的偏置电压。
应当注意到，在测量流过光电二极管阵列的电流的时候的偏置电压可偏离它的所要求的值，其中所偏离的量将依赖于光信号与暗信号(darksignal)的所要求的比，并依赖于依存于光信号与暗信号的比的电压。在如图8(a)所示的依赖于光信号与暗信号的比的电压的情形中，可以看出，对于在高照明亮度的情况中在从-0.02V至+0.02V的近似范围中的偏置电压，光信号与暗信号的比超过10⁴，但是在低照明亮度的情况中在从-0.006V至+0.006V的近似范围中的偏置电压，光信号与暗信号的比超过10⁴。如果希望操作光敏系统，使得光信号与暗信号的比至少为10⁴，对于图8(a)的高照明亮度和图8(b)的低照明亮度之间的任何照明亮度，作为例子，这将要求偏置电压必须保持在从-0.006V至+0.006V的范围内。
为了设计目的，被串联放置的光敏元件的数目n的选择将依赖于偏压电路的性能，该偏压电路可与可利用的元件，例如与在光传感器将被设置在TFT基板上的情况中可利用的TFT元件一起实现。偏压电路的精度越高(如，输出偏置电压中变化δV越低)，可采用的n的值越低。这可从分别对应于图6(a)和8(a)的并示出关于10个串联光电二极管的I-V特性和SNR的图6(b)和8(b)中看出。可以看出，图8(b)示出的关于10个串联光电二极管的SNR曲线比图8(a)示出的关于10个串联光电二极管的SNR曲线窄。这意味着，对于给定精度的偏压电路，采用10个串联的光电二极管可导致比采用100个串联的光电二极管低的SNR。例如，虽然即使在低照明亮度，能够提供0±0.006V的输出电压的偏压电路在图8(a)中示出的100个串联光电二极管的情况中可提供至少10⁴的SNR，如果使用在图8(b)中示出的10个串联光电二极管的情况中，该偏压电路在低照明亮度可提供低至大约为10¹的SNR。
通常，在设计阶段，需要考虑下述因素：
1)串联放置的光敏元件的数目n-依赖于可以实现的偏压的精度；
2)二极管宽度(W)-这需要足够大，使得可检测在低的亮度级产生的小的光电流；
3)面积-其给出为n×W。面积越大，成本越大。
因此，对于被串联放置的光敏元件的数目n的最佳值的选择是依赖具体的实际情形(situation-dependent)，且还依赖于设计规格。
图10示出根据本发明第二实施例的光敏系统。除了测量电路13配置为在遍及光电二极管阵列12终端的偏压等于或近似等于零的时候测量流过光电二极管阵列12的电流I，该实施例大致类似于图9的实施例。与图9的实施例中相同的特征描述将不再重复。
在一个优选实施例中，测量电路13配置在测量流过光电二极管阵列12的电流I，同时将等于或接近0V的恒定偏置电压V_A施加至光电二极管阵列12的整个终端上。该实施例大致类似于第一实施例，具有施加到整个光电二极管阵列12的偏置电压V_A为常数且明确地保持在V_A＝0V或V_A≈0V的要求。这在光电二极管的测量中提供了实现精度的实际方法。
该实施例的优点在于，由光电二极管阵列12产生的电流作为入射在光电二极管上的环境光亮度的指示总是有效的。相反，在随时间变化的偏置电压施加至整个光电二极管阵列12的情况中，由光电二极管阵列12产生的电流仅在偏置电压V_A的瞬时值满足V_A＝n V_bi(或在假设V_bi可忽略时V_A＝0)时提供对入射在光电二极管上的环境光亮度的指示。
在图9和10的实施例中，测量电路的输出可供给模拟/数字转换器(未示出)，以提供数字输出。
图11示出根据本发明的第三实施例的光敏系统。与图9的实施例中相同的特征描述将不再重复。
在图11的实施例中，多个n个光电二极管8再次串联连接，以形成串联的光电二极管阵列12。光电二极管阵列12的输出端连接至测量电路13。测量电路13配置为测量流过光电二极管阵列12的电流，同时在整个光电二极管阵列12保持偏压。测量电路13的输出供给至模拟/数字转换器(ADC)14，以提供数字输出。
在该实施例中，测量电路13包括配置为积分器的运算放大器15，且光电二极管阵列12连接整个放大器输入端15a、15b。由于放大器-ve端15a虚接地，且放大器+ve端15b接地，施加至整个光电二极管阵列的电压V_A为0V。
放大器(积分器)15的输出端15c通过开关S1连接至地。开关S1由信号RST控制。
电容器C_INT连接至放大器15的输出端15c和放大器-ve输入端15a之间。
该实施例如下操作。
在积分周期(integration period)的开始阶段，信号RST接通开关S1，且积分器15的输出重设为0V。当信号RST关断开关S1时，积分周期开始。光电流合成在积分电容器C_INT上。
ADC 14可用来将输出电压转换为数字值。它可配置成采样-和-保持或连续时间工作。在采样-和-保持配置中，在积分周期的末端进行一次输出电压采样，并将输出电压转换为数字值。在连续时间工作中，ADC配置为将积分电压与固定参考值进行比较。积分电压达到这个参考值所用的时间由数字计数器进行测量，该数字计数器在积分周期的末端提供ADC输出值。
该实施例的优点在于，它提供了一种用于获得大致等于光电二极管阵列12的整个终端上零伏特的偏置电压和在所选择的积分周期内测量所产生的光电二极管平均电流的方法。另一个重要的优点在于，该实施例能够采用在标准TFT工艺中可利用的标准元件来实现。
图12示出根据本发明的第四实施例的光敏系统。与图9的实施例中相同的特征描述将不再重复。
在该实施例中，多个n个光电二极管8再次串联连接，以形成串联的光电二极管阵列12。光电二极管阵列12的输出端连接至测量电路13。测量电路13设置为测量流过光电二极管阵列12的电流，同时在整个光电二极管阵列12上保持偏压。测量电路13的输出供给至模拟/数字转换器(ADC)14，以提供数字输出。
测量电路进一步包括配置作为单位增益放大器的运算放大器15、连接在放大器15的+ve输入端15b和地之间的积分电容器C_INT，和与积分电容器C_INT并联的复位开关S1。光电二极管阵列连接在单位增益放大器15的+ve输入端15b和放大器15的输出15c之间，使得施加到整个光电二极管阵列12的电压V_A为0V。ADC14连接至单位增益放大器15的+ve输入端15b。
该实施例如下操作。
在积分周期(integration period)的开始阶段，信号RST接通开关S1，且积分电容器C_INT的积分端复位为0V。
当信号RST关断开关S1时，积分周期开始。光电流合成在积分电容器C_INT上。当整个积分电容器C_INT的电压增加时，单位增益放大器15将整个光电二极管的电压保持为V_A＝0V。
ADC 14可用来将积分电压转换为数字值。它可配置成采样-和-保持或连续时间工作。在采样-和-保持配置中，在积分周期的末端进行一次输出电压采样，并将输出电压转换为数字值。在连续时间工作中，ADC配置为将积分电压与固定参考值进行比较。积分电压达到这个参考值所用的时间由数字计数器进行测量，该数字计数器在积分周期的末端提供ADC输出值。
该实施例的优点与第三实施例的优点类似，在于它满足用于获得大致等于零伏特的偏置电压的同时测量电流的要求，且在于它能够采用在通常的TFT工艺中实现。与第三实施例相比，另外的优点在于，积分电容器的可替换的位置可能有利于将整个光电二极管的偏压保持在近似为0V，以实现更高的精确度。
电路13不限于图11和12示出的特定电路实施例。原则上，可采用在将恒定偏置电压保持为或接近0V的同时阻止遍及光电二极管阵列的电荷注入的任何电路。
图13示出根据本发明的第五实施例的光敏系统。与图9的实施例中相同的特征描述将不再重复。
图13的光敏系统具有包括串联连接的n(其中n>1)个光敏元件8的光传感器12，优选地，n个光敏元件名义上相互等同。光敏系统还包括用于将所需要的偏置电压施加至光传感器的电路和用于确定流进光传感器12的电流的测量电路13。用于将所需要的偏置电压施加至光传感器的电路没有在图13中明确示出，但是如上所述，它可与测量电路13分离或合并。
图13的光敏系统包括与第一光传感器12串联连接的第二光传感器12’。第二光传感器12’还包括相互串联连接的n个光敏元件8’。优选地，第二光传感器12’的光敏元件8’名义上相互等同，并与第一光传感器12的光敏元件8等同。例如，光敏元件8、8’可以为光电二极管(如，横向光电二极管)或光电晶体管。
第二光传感器12’以与第一光传感器12相反的指向连接。即，测量电路13的一个终端A连接至第一光传感器12的末端光敏元件的负极，并连接至第二光传感器12’的末端光敏元件的正极，反之，测量电路的其它终端B连接至第一光传感器12的末端光敏元件的正极，并连接至第二光传感器12’的末端光敏元件的负极。
第二光传感器12’的光敏元件8’设置有用于遮蔽环境光的遮光屏蔽29。因此，第二光传感器12’的光敏元件8’仅接收漫射光(stray light)(例如来自显示器的背光)，反之第一光传感器12的光敏元件8因此接收环境光和漫射光。
图14示出图13的光敏系统的工作原理。如上所述，第一光传感器12(或“检测”光传感器)接收漫射光和环境光，而第二光传感器12’(或“参考”光传感器)仅接收漫射光。这两个光传感器的配置允许温度效应和将被补偿的漫射光-假定这两个光传感器相互等同，温度或漫射光中的任何变化将等同地影响这两个光传感器，使得第一光传感器12的输出和第二光传感器12’的输出之间的任何差异必须源于环境光(其仅入射在第一光传感器12上且不入射在第二光传感器12’上)。
如图13或14所示，以相反的指向连接光传感器意味着，如果第一光传感器12的光敏元件被反向偏压，则第二光传感器12’的光敏元件被正向偏压(且反之亦然)。而且，如果光敏系统的偏压电路设置为提供0V偏置电压，则第一光传感器的光敏元件和第二光传感器12’的光敏元件具有相同的施加到其上的偏置电压(且对于给定的亮度级和温度应当提供相同的输出电流)。
因此，如图13中示意性示出的那样，图13的光敏系统的测量电路13设置为在当施加的偏置电压为0V或接近0V时测量来自两个光传感器12，12’的输出电流。如在图14中的31处示意性示出的，所测量的输出电流在第一光传感器12的输出电流(I_det)和第二光传感器12’的输出电流(I_ref)之间是不同的，这种不同(假定这两个光传感器相互等同)应当依赖于漫射光亮度或依赖于温度。
因此，可以看出，通过在施加的偏置电压为0V或接近0V时测量来自两个光传感器12，12’的输出电流，图13的光敏系统提供两个优点。首先，获得对于光信号与暗信号之比的较高的值，给出良好的信噪比。其次，能够消除或至少降低温度或漫射光的变化对所测量的输出电流的影响。
图15示出根据本发明的第六实施例的光敏系统。与图13的实施例中相同的特征描述将不再重复。
除了在施加的偏置电压为0V或接近0V时测量输出电流之外，图15的光敏电路的测量电路13适合向第一和第二光传感器12、12’提供偏置电压。例如，图15的光敏电路的测量电路13可提供为零或接近零的恒定偏置电压，或它可设置为提供周期性通过0V的交替的偏置电压，并设置为在偏置电压为0V或接近0V时测量输出电流。
图16示出根据本发明的第七实施例的光敏系统。与图15的实施例中相同的特征描述将不再重复。
在图16中的光敏系统，在第一光传感器的中间元件节点和第二光传感器的对应的中间元件节点之间提供至少一个交叉连接。概括而言，第一光传感器的中间元件节点是第一光传感器12的第i个光敏元件8i和第一光传感器12的第(i+1)个光敏元件之间的节点，且第二光传感器的对应的中间元件节点是第二光传感器12’的第i个光敏元件8_i和第二光传感器12’的第(i+1)个光敏元件之间的节点。
如图16所示，在特定的优选实施例中，在第一光传感器的每个中间元件节点和第二光传感器的对应的中间元件节点之间提供交叉连接。因此，在图16的光敏系统中，第一光传感器12的第一光敏元件8₁的正极连接至第二光传感器12’的第一光敏元件8₁’的负极。而且，通过测量电路13的输出A，第一光传感器12的第一光敏元件8₁的负极连接至第二光传感器12’的第一光敏元件8₁’的正极。
第一光传感器12的第i个光敏元件8_i的负极连接至第二光传感器12’的第i个光敏元件8_i’的正极，并且还连接至第二光传感器12’的第(i-1)个光敏元件的负极。第一光传感器12的第i个光敏元件8_i的正极连接至第二光传感器12’的第i个光敏元件8_i’的负极，并且还连接至第二光传感器12’的第(i+1)个光敏元件的正极。
第一光传感器12的第n个光敏元件8_n的负极连接至第二光传感器12’的第n个光敏元件8_n’的正极。并且，通过测量电路13的输出B，第一光传感器12的第n个光敏元件8_n的正极连接至第二光传感器12’的第n个光敏元件8_n’的负极。
在该实施例中，第一光传感器12的光敏元件8和第二光传感器的光敏元件8’之间的附加连接可便于在光敏元件不是严格地相互匹配的情况中实现更好的性能。
基于所感测的环境光强度，本发明的光敏系统可用来控制显示设备的照明亮度。例如，在显示设备具有背光的情况中，通常显示设备将设置有用于控制背光强度的控制装置。本发明的光敏系统可提供用来感测环境光强度，表示所感测的环境光强度的输出被输入到背光控制装置，其中该控制装置根据来自该光敏系统的输出控制显示设备的背光强度。
图17示出具有环境光传感器系统的AMLCD设备，其中环境光传感器系统可根据本发明的方法进行操作，和/或可以是本发明的光敏系统。典型地，AMLCD设备本身可用在多个产品中，如移动电话或PDA。
如图17中所示，AMLCD设备16由下述元件组成：
·显示器像素矩阵17(在该显示像素矩阵17显示图像)；
·显示器栅极驱动器电路18；
·显示器源极驱动器电路19；
·显示器控制装置20；
·背光单元21；
·背光控制装置22；
·环境光传感器(ALS)系统23；和
·ALS控制装置24。
显示器像素矩阵17、显示器栅极驱动器18、显示器源极驱动器19和ALS系统23设置在例如可为TFT基板的显示器基板28上。
ALS系统23由薄膜光电二极管25、相关的测量电路26和模拟-数字转换器(ADC)27组成。所有的这些元件可集成在TFT基板28上。如上所述，薄膜光电二极管可串联连接，且测量电路26可如上述参照图9至16中的任一个进行操作，测量电路26例如可以是图11或12中示出的测量电路。
AMLCD16的操作如下：
通过在显示器控制装置20的控制下由栅极和源极驱动电路18、19驱动，显示像素矩阵17操作为以正常方式显示图像。用于显示的光源是背光21，该背光21典型地是由背光控制装置22驱动和控制的白色LED阵列。
ALS系统23检测入射到光电二极管25的环境光亮度，并以周期性的时间间隔向ALS控制装置24提供数字化输出。
ALS控制装置24与背光控制装置22进行通信，该背光控制装置22根据来自ALS系统23的输出依次调制背光21的强度，因此，这种配置能够根据环境光强度调整所显示的图像的亮度。
该实施例的优点在于，由于在许多环境光条件下能够降低背光强度或完全关断背光，根据环境光条件控制图像亮度既有利于改善用户体验，又有利于降低的整体系统功率消耗。
另一个重要优点在于，环境光传感器电路(包括光电二极管25、测量电路26和ADC 27)能够全部整体集成到显示器TFT基板28上。这对于AMLCD产品制造的尺寸、成本和便利具有相当大的好处。
当光电二极管的宽度增加时，由薄膜硅光电二极管产生的光电流的量级增加。因此，在采用薄膜硅光电二极管的实施例中，光电二极管的宽度是大光电流需求和最小化ALS系统尺寸的需求之间的折中。
原则上，ALS 23可不集成在显示器基板28上，但可设置在分离的基板上。
已经参照薄膜硅光电二极管描述了本发明的各实施例。然而，从串联的光敏元件的物理性能来说，希望在阵列中采用串联光敏元件并用零伏特或接近零伏特的偏置电压偏置阵列以便于改善信噪比的原则可应用于其它光敏元件系统。本发明适合应用于灵敏性由光生信号与暗信号之比限制的系统，并适合应用于在光电流改变符号处的光传感器的偏置电压值附近获得信噪比中的峰值的系统。
而且，希望采用在除硅外的其它半导体系统中制造的薄膜光敏元件，本发明是可应用的。