BE1023468B1

BE1023468B1 - Overdrachtsstuurelektrode met drie niveaus

Info

Publication number: BE1023468B1
Application number: BE2015/5771A
Authority: BE
Inventors: Bart Dierickx; Benoit Dupont; Jiaqi Zhu; Kalgi Ajit Kumar; Diang Yao; Koen LIEKENS; Gaozhan Cai; Bert Luyssaert; Aken Dirk Van; Peng Gao
Original assignee: Caeleste Cvba
Priority date: 2014-11-26
Filing date: 2015-11-26
Publication date: 2017-03-29
Also published as: BE1023468A1

Abstract

Er worden een werkwijze en inrichting voor het aandrijven van een stralingssensorpixel geopenbaard. De sensorpixel omvat een detectie element dat in staat is tot ladingsproductie als respons op invallende straling, een zwevende diffusieknoop, een transferpoort tussen het detectie element en de zwevende diffusieknoop, en een ladingsopslaginrichting die via een schakelaar met de zwevende diffusieknoop is verbonden. De werkwijze omvat het voorspannen van de transferpoort op drie of meer voorspanningen UIT, AAN en een tussenliggende voorspanning tussen UIT en AAN. Tijdens de periode waarin de transferpoort is voorgespannen op de tussenliggende voorspanning, kunnen indien de sensor verzadiging bereikt, de overgelopen ladingen worden verzameld en een deel ervan opgeslagen in de ladingsopslaginrichting, voor verdere analyse en samenvoeging.

Description

Transferpoort met drie niveaus

Gebied van de uitvinding

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op het gebied van stralingssensorpixels die geschikt zijn voor gebruik in sensorreeksen. De onderhavige uitvinding heeft in het bijzonder betrekking op een sensor met hoog dynamisch bereik en op een aandrijfwerkwijze voor dergelijke sensor.

Achtergrond van de uitvinding

Door miniaturisering lijden sensorreeksen gewoonlijk aan lekstromen die een door de sensorreeksen gevangen beeld degraderen. Het gebruik van geïntegreerde micro-elektronische elementen (zoals transistoren of fotodioden) in monolithische sensoren is een belangrijke techniek die de fabricage mogelijk maakt van zeer kleine stralingssensorpixels, maar door het type materialen en de zeer kleine afmetingen en afstanden tussen elektronische elementen kunnen vaak lekstromen optreden. Eén van de karakteristieken van het detectie element die bijdragen aan dit effect, is de beperkte gevoeligheid ervan. Wanneer invallende straling een vooraf bepaalde drempellimiet te boven gaat, raakt de sensor verzadigd en kan verdere toename van stralingsintensiteit tot lek leiden. Er zijn enkele oplossingen voorgesteld. Gebruik van pixels met een breed oppervlak kan bijvoorbeeld leiden tot een toename van de verzadigingslimiet. Deze oplossing is zeer beperkt, vanwege het feit dat een sensorreeks in staat hoort te zijn hoge sensordichtheid te hebben (bv. hoog aantal pixels per inch) teneinde concurrerend te zijn.

Andere oplossingen verwijderen overmaat lading door afvoeren, aldus lek vermijdend, in verzadigde pixels. Hoewel lek en gerelateerde effecten (zoals intermodulatie of waasvorming) worden verminderd, raakt de sensor verzadigd en de beeldkwaliteit is niet optimaal.

Dynamisch bereik kan worden gedefinieerd als de verhouding tussen de laagste en de hoogste stralingsintensiteit die in staat is tot het produceren van een variatie in de stralingssensor. Het is wenselijk hoog dynamisch bereik [high dynamic range] (HDR) te hebben in een sensor, terwijl op hetzelfde moment lekstromen in een sensorreeks worden verminderd, teneinde een optimale configuratie geschikt voor sensorreeksen te verkrijgen. Er zijn verschillende alternatieven en sensorconfiguraties voorgesteld. US2012/0193516 openbaart een vastgepinde fotodiode [pinned photodiode] (PPD) met condensatoren voor het opslaan van lading, waardoor dynamisch bereik wordt verhoogd. De capaciteit van de condensatoren is hoger dan de capaciteit van de sensor. Verder kan een laterale overloopbarrière worden gebruikt om lekstroom tijdens ladingsproductie en -verzameling in de fotodiode te verminderen.

De fabricage van een sensor die geschikt is voor sensorreeksen, die een verminderde lek en hoog dynamisch bereik mogelijk maakt, is wenselijk, terwijl tegelijkertijd verhoging van het oppervlak van de sensor wordt vermeden (aldus een verlaging van resolutie vermijdend), vermindering van het gevoelige oppervlak wordt vermeden (aldus een goede verzadiging verkrijgend) en kostbare vervaardigingsroutes worden vermeden.

Samenvatting van de uitvinding

Het is een doel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding om een stralingssensorpixel en een werkwijze voor het aandrijven van een stralingssensorpixel geschikt voor sensorreeksen te verschaffen ter verkrijging van goede beeldkwaliteit, lage lekstromen en beeldvorming met hoog dynamisch bereik mogelijk makend.

De bovenstaande doelstelling wordt bewerkstelligd door een werkwijze en een inrichting volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding.

In een eerste aspect hebben uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding betrekking op een werkwijze voor het aandrijven van een stralingssensorpixel. De stralingssensorpixel omvat een detectie element in staat tot ladingsproductie als respons op invallende straling, een zwevende diffusieknoop [floating diffusion node], een transferpoort tussen het detectie element en de zwevende diffusieknoop, en een ladingsopslaginrichting verbonden met de zwevende diffusieknoop via ten minste één schakelaar voor het regelen van de stroom door een AAN voorspanning om ladingsstroom toe te laten, en een UIT voorspanning om ladingsstroom tussen de ladingsopslaginrichting en de zwevende diffusieknoop te verhinderen. De werkwijze omvat het achtereenvolgens voorspannen van de transferpoort op ten minste drie verschillende voorspanningen, waarbij de ten minste drie verschillende voorspanningen ten minste een UIT-voorspanning, een AAN-voorspanning en ten minste één tussenliggende voorspanning omvatten. De ten minste ene tussenliggende voorspanning heeft een waarde binnen het bereik tussen de UIT-voorspanning en de AAN-voorspanning. De AAN-voorspanning laat toe dat de lading in het detectie element naar de zwevende diffusieknoop wordt overgedragen terwijl de schakelaar UIT is. De werkwijze omvat verder het mogelijk maken dat de ladingsopslaginrichting ladingen accepteert, ten minste tijdens het voorspannen van de transferpoort op de tussenliggende voorspanning. Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat elke mogelijke overloop door de selecteerbare tussenliggende voorspanning door middel van een enkelvoudige transistor kan worden gecontroleerd, waardoor lek van stromen en gerelateerde negatieve effecten worden vermeden, terwijl tegelijkertijd de overgelopen ladingen worden verzameld en rekenschap geven van hun invloed mogelijk wordt gemaakt.

In specifieke uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding kan de werkwijze ten minste een integratieperiode omvatten waarin ladingen op het detectie element worden geïntegreerd. Het achtereenvolgens voorspannen van de transferpoort op ten minste drie verschillende voorspanningen kan het voorspannen omvatten van de transferpoort op de tussenliggende voorspanning tijdens ten minste een deel van de integratieperiode, aldus een deel van de geïntegreerde ladingen die de transferpoort kunnen overlopen (corresponderend met een vooraf bepaalde drempel), aan de zwevende diffusieknoop en de ladingsopslaginrichting overdragend. Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat de ladingen geproduceerd door oververzadiging van de pixel kunnen worden gemeten. Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat de waarde van het verzadigingsniveau van de pixel tijdens ladingsintegratie arbitrair laag kan worden ingesteld, waardoor een grote controle bij verschillende intensiteiten van invallende straling wordt mogelijk gemaakt. Het is een extra voordeel dat de ladingen geproduceerd door oververzadiging van de pixel kunnen worden verzameld.

Sommige uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding kunnen transfer van lading van het detectie element naar een tussenliggende knoop omvatten, via de transferpoort. Tijdens integratie kunnen ladingen bijvoorbeeld via een transferpoort met tussenliggende voorspanning naar de tussenliggende knoop overlopen. Vervolgens kunnen ladingen van de tussenliggende knoop worden overgedragen naar ten minste één zwevende diffusieknoop via een transferpoort, die op ten minste twee voorspanningen kan worden voorgespannen.

Sommige uitvoeringsvormen kunnen (a) het overlopen van ladingen van het detectie element direct naar de opslaginrichting, of (b) het overlopen van ladingen van het detectie element naar een tussenliggende knoop en van de tussenliggende knoop naar de opslaginrichting en/of de zwevende diffusieknoop omvatten. De onderhavige uitvinding is niet beperkt tot genoemde voorbeelden, en een mengsel van beide kan ook worden ontworpen. Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat ladingen niet verloren gaan, maar voor toekomstig gebruik worden opgeslagen.

In het eerste geval (a) kan het overlopen van ladingen van het detectie element naar de opslaginrichting worden gedaan via een vaste barrière, die bij voorkeur energieverbruik vermindert; of via een verdere transferpoort die op drie spanningen kan worden voorgespannen, bij voorkeur de hoeveelheid lading controlerend die in het detectie element kan worden geïntegreerd.

In het tweede geval (b) kan het overdragen van een hoeveelheid lading via de ten minste eerste transferpoort naar de ten minste ene tussenliggende knoop het overdragen of overlopen omvatten van lading die de maximale capaciteit overschrijdt, van de ten minste ene tussenliggende knoop naar de opslaginrichting (bv. de condensatorknoop) via een overloopbarrière, bijvoorbeeld via een vaste barrière (die bij voorkeur energieverbruik vermindert) of via een transferpoort die op drie spanningen kan worden voorgespannen, bij voorkeur de hoeveelheid lading controlerend die in de integratieknoop kan worden geaccumuleerd.

Sommige uitvoeringsvormen van de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding kunnen additionele perioden omvatten. Zij kunnen bijvoorbeeld een integratieperiode en verder een uitleesperiode omvatten. Elke periode kan verschillende fasen omvatten, die binnen het kader van verschillende uitvoeringsvormen van de onderhavige werkwijze zullen worden beschreven.

Bepaalde uitvoeringsvormen van het eerste aspect van de onderhavige uitvinding kunnen bijvoorbeeld verder een uitleesperiode omvatten. Deze uitleesperiode kan, volgens sommige uitvoeringsvormen van de werkwijze van de onderhavige uitvinding, het uitlezen omvatten van de ladingen die eerder op het detectie element zijn geïntegreerd. Zij kan ook, in verdere uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding, het samenvoegen van op de ladingsopslaginrichting opgeslagen ladingen met ladingen aanwezig op de zwevende diffusieknoop omvatten. Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat ladingen verzameld tijdens integratie onderdeel kunnen zijn van de signaaluitlezing.

In sommige uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding kan het achtereenvolgens voorspannen van de transferpoort op ten minste drie voorspanningen verder een tijdelijk voorspannen van de transferpoort op AAN-voorspanning omvatten, zodoende de geïntegreerde ladingen aan de zwevende diffusieknoop overdragend, terwijl niet wordt toegelaten dat de ladingsopslaginrichting ladingen accepteert, en vervolgens de ladingsniveaus in de zwevende diffusieknoop worden afgelezen. Deze fase kan in de uitleesfase worden inbegrepen, hoewel de onderhavige uitvinding daar niet toe beperkt is. Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat de totale lading geproduceerd door de invallende straling kan worden verzameld boven het pixelverzadigingsniveau.

De uitleesperiode kan het voorspannen van de transistor (AAN-toestand) tussen de tussenliggende knoop en de zwevende diffusieknoop, en het aflezen van de ladingen, gevolgd door het voorspannen van de transistor (AAN-toestand) tussen de opslaginrichting en de diffusieknoop en het aflezen van de ladingen omvatten. De ladingen in de opslagknoop kunnen zijn verzameld in voorafgaande stappen direct uit het detectie element (eerste geval (a) eerder uitgelegd) of ze kunnen zijn verzameld uit een overlopende tussenliggende knoop (tweede geval (b)). De transferstap kan worden uitgevoerd via een transferpoort met een tussenliggende voorspanning of via een vaste barrière.

Specifieke uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding kunnen verder additionele stappen of perioden omvatten. Bepaalde uitvoeringsvormen kunnen bijvoorbeeld het voorspannen van de transferpoort door de UIT-voorspanning tussen de integratieperiode en een erop volgende uitleesperiode omvatten. Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat zij de meting van opnieuw ingestelde niveaus mogelijk maakt. Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat niet alleen de totale geaccumuleerde lading kan worden verzameld en gemeten, maar ook het niveau van verzadiging kan worden verkregen en gecorrigeerd voor het verhogen van het dynamische bereik van de pixel.

De lading op verschillende fasen kan op verschillende manieren worden geanalyseerd. Bepaalde uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding omvatten bijvoorbeeld het verkrijgen van gecorreleerde dubbele bemonsteringsuitgang [correlated double sampling] (CDS). In bepaalde uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding wordt de CDS-uitgang berekend aan het verschil in ladingen aanwezig op de zwevende diffusieknoop vóór en na het voorspannen van de transferpoort AAN. Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat de totale lading geaccumuleerd tijdens de voorafgaande stap extra kan worden verzameld.

In geprefereerde, niet-beperkende uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding wordt het overdragen van een deel van de geïntegreerde ladingen alleen via de transferpoort uitgevoerd. In dergelijke uitvoeringsvormen kan de pixel bij voorkeur compact zijn. Er zijn geen aanvullende inrichtingskenmerken zoals bijvoorbeeld laterale overlooppoorten nodig.

Andere uitvoeringsvormen kunnen een opnieuw instellen van het detectie element mogelijk maken, bijvoorbeeld door medeopneming van een spoelpoort, ter verkrijging van de gunstige eigenschappen van een sensorsluiter. Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat hoog dynamisch bereik en verminderde negatieve effecten afkomstig van ladingslek kunnen worden verkregen, zonder de noodzaak van het medeopnemen van extra transistoren, vandaar dat compacte pixelschakelingen kunnen worden gebruikt.

In een tweede aspect van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding heeft de onderhavige uitvinding ook betrekking op een stralingssensorpixel. De stralingssensorpixel volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding kan bij voorkeur worden aangedreven volgens een werkwijze-uitvoeringsvorm van het eerste aspect van de onderhavige uitvinding. Genoemde inrichting volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding kan een detectie element in staat tot ladingsproductie als respons op invallende straling omvatten, een zwevende diffusieknoop, een enkelvoudige transferpoort tussen het detectie element en de zwevende diffusieknoop, een ladingsopslaginrichting verbonden met de zwevende diffusieknoop via een schakelaar, en bij voorkeur een aandrijfschakeling aangepast voor het achtereenvolgens voorspannen van de enkelvoudige transferpoort op ten minste drie verschillende voorspanningsniveaus, waarbij de verbindingen tussen het detectie element en de zwevende diffusieknoop en tussen de ladingsopslaginrichting en de zwevende diffusieknoop zijn aangepast om overdracht van ladingen in het detectie element naar de zwevende diffusieknoop toe te laten terwijl de schakelaar UIT is. Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat een beperkt aantal transistoren in een pixel kan worden gebruikt, daardoor het formaat van de sensor verlagend en zodoende hogere sensordichtheid in een sensorreeks mogelijk makend. In bepaalde uitvoeringsvormen die pixels omvatten, kan bijvoorbeeld een hogere pixeldichtheid in een camerareeks worden bereikt. Het is een extra voordeel dat de gevoeligheid van de sensor kan worden gemanipuleerd, dus in een kleine en compacte inrichting kan hoog dynamisch bereik worden verkregen.

Bepaalde uitvoeringsvormen van de onderhavige inrichting volgens het tweede aspect van de onderhavige uitvinding kunnen een uitgangstrap omvatten die is geconfigureerd om een signaal te produceren dat representatief is voor de hoeveelheid elektrische lading op de zwevende diffusie afzonderlijk, op de ladingsopslaginrichting afzonderlijk, of op beide. Dit kan analoog-digitaalomzetters, analoge aflezers, geïntegreerde schakelingen omvatten, waarbij de onderhavige uitvinding niet door dergelijke voorbeelden beperkt wordt, en kan geschikt zijn voor het meten van het signaalniveau van straling ontvangen door de stralingssensorpixel. Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat de sensor radiometrietoepassingen kan hebben. Het is een extra voordeel dat de onderhavige uitvinding fotometrietoepassingen kan hebben.

De inrichting volgens sommige uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding kan worden vervaardigd in een substraat met halfgeleidende eigenschappen, bijvoorbeeld een halfgeleider, bijvoorbeeld Si of Ge, of een mengsel van verschillende elementen zoals SiGe; GaAs of InGaAs, of elke andere geschikte combinatie. In voorkeursuitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding kan het detectie element een oppervlak van het substraat omvatten, het kan bijvoorbeeld ten minste één foto-elektrische diode omvatten, bijvoorbeeld een vastgepinde fotodiode. Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat lage donkerstroom en hoge kwantumefficiëntie kunnen worden verkregen. Het is een extra voordeel dat standaard fabricagewerkwijzen voor ingebedde of vastgepinde fotodioden kunnen worden gebruikt. De fotodiode kan bijvoorbeeld worden vervaardigd door gelaagde p-n-dotering in een licht p-gedoteerd substraat. De onderhavige uitvinding kan andere typen halfgeleiderstructuren omvatten, of zelfs verschillende detectie elementen.

Volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding omvat de inrichting een ladingsopslaginrichting gekoppeld met de uitgang. Deze ladingsopslaginrichting kan, in verschillende uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding, bijvoorbeeld één condensator omvatten, of een condensatorknoop omvattende ten minste één condensator, gekoppeld met de uitgang via een schakelaar, bijvoorbeeld een transistor zoals een MOSFET, TFET of elk ander type schakelaar. De condensator kan een extern schakelelement zijn, of kan in een substraat in uitvoeringsvormen inclusief geïntegreerde sensoren geïntegreerd zijn, bijvoorbeeld in monolithische inrichtingen. De onderhavige uitvinding is niet beperkt tot een dergelijke structuur en zij kan meer dan één condensator, alsook andere elementen en schakelaars omvatten. De ladingsopslaginrichting kan bijvoorbeeld een koppel van condensatoren omvatten dat parallel tussen ze verbonden is, waardoor de capaciteit wordt verhoogd. Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat de ladingsopslaginrichting gemakkelijk in een schakeling kan worden geïmplementeerd.

Volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding kan de inrichting verder een tussenliggende knoop tussen het detectie element en de zwevende diffusieknoop omvatten. De tussenliggende knoop kan ladingen opslaan die zijn overgelopen van het detectie element via de transferpoort, en hij kan een verdere transferpoort en een aandrijfschakeling aangepast voor het achtereenvolgens voorspannen van de verdere transferpoort op twee verschillende voorspanningsniveaus omvatten, wat ladingsoverdracht tussen de tussenliggende knoop en de zwevende diffusie mogelijk maakt. In sommige uitvoeringsvormen kan de aandrijfschakeling de verdere transferpoort op ten minste drie verschillende voorspanningsniveaus voorspannen.

Verder kan de inrichting een overlooppoort voor het elektrisch verbinden van het detectie element (bv. een vastgepinde fotodiode) en de ten minste ene opslagknoop omvatten. De overlooppoort kan bijvoorbeeld een transferpoort omvatten, voor het selectief overlopen van ladingen direct of indirect vanaf het detectie element, wat selectiviteit mogelijk maakt van 'charge-at-full-well' (QFw)-bereiken. In alternatieve uitvoeringsvormen kan de overlooppoort ten minste één vaste barrière tussen de vastgepinde fotodiode en de ten minste ene condensatorknoop omvatten, wat bij voorkeur het formaat van de schakeling vermindert door het implementeren van de barrière via dotering, depositie of patroonvorming.

Volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding omvat de inrichting een overlooppoort voor het elektrisch verbinden van de ladingsopslaginrichting en een tussenliggende knoop. De overlooppoort kan bijvoorbeeld een transferpoort omvatten, voor het selectief overlopen van ladingen uit de tussenliggende knoop. Zodoende kan het dynamische bereik worden afgestemd, wat verschillende niveaus van gevoeligheid van de pixel voor verschillende belichtingsomstandigheden mogelijk maakt. De overlooppoort kan alternatief een vaste barrière omvatten, wat ruimte en energieverbruik vermindert terwijl waasvorming naar de zwevende diffusie wordt verminderd.

In sommige voorkeursuitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding kan de ladingsopslaginrichting een geïntegreerde transistor omvatten die is geconfigureerd om selectief een geleidend pad tussen de ladingsopslaginrichting en de zwevende diffusieknoop te openen, waardoor bij voorkeur de overgelopen ladingen worden verzameld die kunnen worden gemeten voor schatting van oververzadigingsniveaus. Andere mogelijke configuraties kunnen bijvoorbeeld drie condensatoren in parallelle configuratie omvatten, via een schakelaar met elkaar verbonden. Het is een verder voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat verschillende niveaus van verzadiging kunnen worden gecontroleerd en gemeten voor dezelfde tussenliggende spanning [voltage] VM, wat eventuele mogelijke lekstroom die nog steeds kan voorkomen, verder vermindert. In bepaalde uitvoeringsvormen worden de additionele condensatoren bijvoorbeeld gebruikt (hun schakelaars worden bv. geopend) ingeval de hoofdcondensator van de opslaginrichting verzadigd raakt.

Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat de grondbeginselen van een algemene elektronische sluiter, in staat tot het uitvoeren van uitlezing met CDS zonder beperkt te worden door de relatief hoge donkerstroom van een oppervlakdiode, met lineair hoog dynamisch bereik kunnen worden gecombineerd, door het creëren van meervoudige lineaire CW-bereiken, waardoor ruis wordt verlaagd en opslagcapaciteit van de pixel verhoogd, zonder dat het oppervlak van de pixel wordt vergroot. Verder kan waasvorming worden verminderd terwijl op hetzelfde moment de meeste of al de geïntegreerde fotoladingen worden gebruikt.

Sommige uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding omvatten ten minste één terugsteltransistor. Een transistor kan bijvoorbeeld de verbinding tussen de zwevende diffusie en de bron-VDD reguleren, zodat het detectie element snel van lading kan worden uitgeput en voor nieuw gebruik bereid. Dit is met name voordelig bij fotografie- of videotoepassingen, waarbij de stralingssensorpixel verminderde beeldvertraging kan hebben. Uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding kunnen ten minste één alternatieve of additionele transistor voor de uitputting van de ladingsopslaginrichting [charge storage device] CS omvatten, wat bij voorkeur uitputting mogelijk maakt van overgelopen lading op een ander moment dan de zwevende diffusieregio. Dit maakt grotere controle van de accumulatie mogelijk, waardoor bijvoorbeeld mogelijk wordt gemaakt om het moment te controleren waarop ladingaccumulatie begint, of waardoor indien gewenst verschillende cycli van ladingaccumulatie worden mogelijk gemaakt.

De inrichting volgens een tweede aspect van de onderhavige uitvinding kan andere configuraties en structuren omvatten, in zoverre deze kenmerken de werking volgens uitvoeringsvormen van het eerste aspect van de onderhavige uitvinding mogelijk maken. Sommige uitvoeringsvormen kunnen bijvoorbeeld een spoelpoort verbonden met het detectie element omvatten, waardoor meer controle tijdens de integratie- en uitleesperioden wordt mogelijk gemaakt, en waardoor snelle verwerking met goede gevoeligheid en een compact optisch systeem worden verkregen. In pixelreeksen die de sensor volgens deze uitvoeringsvormen gebruiken, kan een elektronisch algemeen sluitereffect worden verkregen.

De onderhavige uitvinding kan andere elementen omvatten, bijvoorbeeld een tweede opslagknoop verbonden met een tweede zwevende diffusieknoop, beide verbonden met het detectie element via een verdere overloopbarrière. Deze configuratie kan sluitermodus met buisleiding mogelijk maken.

Uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding kunnen detectie van een willekeurig type straling omvatten, bijvoorbeeld ioniserende straling, corpusculaire straling (alfadeeltjes, bètadeeltjes, neutronen, etc.). Sommige uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding omvatten een werkwijze en inrichting voor detectie van elektromagnetische (EM) straling, bijvoorbeeld gammastraling, röntgenstralen, of binnen het bereik tussen ver-infrarood en ultraviolet, bijvoorbeeld binnen het bereik van zichtbare straling. Ingeval van deze specifieke uitvoeringsvormen voor EM-straling zou het detectie element een foto-elektrisch detectie element omvatten en de ladingen zouden fotoladingen omvatten.

Specifieke en voorkeursdragende aspecten van de uitvinding zijn opgenomen in de aangehechte onafhankelijke en afhankelijke conclusies. Kenmerken van de afhankelijke conclusies kunnen worden gecombineerd met kenmerken van de onafhankelijke conclusies en met kenmerken van andere afhankelijke conclusies zoals aangewezen en niet enkel zoals uitdrukkelijk in de conclusies naar voor gebracht.

Deze en andere aspecten van de uitvinding zullen duidelijk zijn aan de hand van en verhelderd worden met verwijzing naar de hiernavolgende beschreven uitvoeringsvorm(en).

Korte beschrijving van de figuren FIG. 1 toont een stroomschema van een werkwijze volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding voor het aandrijven van een stralingssensorpixel. FIG. 2 toont een potentiaaldiagram van een stralingssensorpixel tijdens een integratieperiode volgens uitvoeringsvormen van werkwijzen van de onderhavige uitvinding. FIG. 3 toont een potentiaaldiagram van een stralingssensorpixel tijdens een eerste deel van een uitleesperiode volgens uitvoeringsvormen van werkwijzen van de onderhavige uitvinding. FIG. 4 toont een potentiaaldiagram van een stralingssensorpixel tijdens een tweede deel van een uitleesperiode volgens uitvoeringsvormen van werkwijzen van de onderhavige uitvinding. FIG. 5 toont een potentiaaldiagram van een stralingssensorpixel tijdens ladingssamenvoeging, volgens uitvoeringsvormen van werkwijzen van de onderhavige uitvinding. FIG. 6 toont een optionele ontlaadcyclus voor uitlezing van de laagversterkende niveaus, volgens uitvoeringsvormen van werkwijzen van de onderhavige uitvinding. FIG. 7 is een schematische illustratie van een stralingssensorpixel met één opslaginrichting volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding. FIG. 8 is een schematische illustratie van een stralingssensorpixel met één opslaginrichting, een ladingsopslagterugstelschakelaar en een elektronische sluiter volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding. FIG. 9 is een schematische illustratie van een stralingssensorpixel met een opslaginrichting omvattende drie condensatoren en selectorschakelaars, volgens sommige uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding. FIG. 10 toont een voorbeeldmatige sequentie volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding, voor het aandrijven van een stralingssensorpixel zoals schematisch geïllustreerd in FIG. 7. FIG. 11 toont een andere sequentie volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding voor het aandrijven van de schematisch in FIG. 9 geïllustreerde stralingssensorpixel.

De figuren zijn enkel schematisch en niet limiterend. In de figuren kunnen de afmetingen van sommige onderdelen overdreven en niet op schaal zijn voorgesteld voor illustratieve doeleinden.

Referentienummers in de conclusies mogen niet worden geïnterpreteerd om de beschermingsomvang te beperken.

In de verschillende figuren verwijzen dezelfde referentienummers naar dezelfde of gelijkaardige elementen.

Gedetailleerde beschrijving van illustratieve uitvoeringsvormen

De huidige uitvinding zal beschreven worden met betrekking tot bijzondere uitvoeringsvormen en met verwijzing naar bepaalde tekeningen, echter de uitvinding wordt daartoe niet beperkt maar is enkel beperkt door de conclusies. De beschreven tekeningen zijn slechts schematisch en niet beperkend. In de tekeningen kunnen voor illustratieve doeleinden de afmetingen van sommige elementen vergroot en niet op schaal getekend zijn.

De afmetingen en de relatieve afmetingen komen soms niet overeen met de actuele praktische uitvoering van de uitvinding.

De termen eerste, tweede en dergelijke in de beschrijving en in de conclusies worden gebruikt voor het onderscheiden van gelijkaardige elementen en niet noodzakelijk voor het beschrijven van een volgorde, noch in de tijd, noch spatiaal, noch in rangorde of op enige andere wijze. Het dient te worden begrepen dat de termen op die manier gebruikt onder geschikte omstandigheden verwisselbaar zijn en dat de uitvoeringsvormen van de uitvinding hierin beschreven geschikt zijn om in andere volgorde te werken dan hierin beschreven of weergegeven.

Bovendien, de termen bovenste, onderste en dergelijke in de beschrijving en de conclusies worden aangewend voor beschrijvingsdoeleinden en niet noodzakelijk om relatieve posities te beschrijven. Het dient te worden begrepen dat de termen die zo aangewend worden onder gegeven omstandigheden onderling kunnen gewisseld worden en dat de uitvoeringsvormen van de uitvinding hierin beschreven ook geschikt zijn om te werken volgens andere oriëntaties dan hierin beschreven of weergegeven.

Het dient opgemerkt te worden dat de term 'omvat', zoals gebruikt in de conclusies, niet als beperkt tot de erna beschreven middelen dient geïnterpreteerd te worden; deze term sluit geen andere elementen of stappen uit. Hij is zodoende te interpreteren als het specificeren van de aanwezigheid van de vermelde kenmerken, waarden, stappen of componenten waarnaar verwezen wordt, maar sluit de aanwezigheid of toevoeging van één of meerdere andere kenmerken, waarden, stappen of componenten, of groepen daarvan niet uit. Dus, de omvang van de uitdrukking 'een inrichting omvattende middelen A en B' dient niet beperkt te worden tot inrichtingen die slechts uit componenten A en B bestaan. Het betekent dat met betrekking tot de huidige uitvinding, A en B de enige relevante componenten van de inrichting zijn.

Verwijzing doorheen deze specificatie naar 'één uitvoeringsvorm' of 'een uitvoeringsvorm' betekent dat een specifiek kenmerk, structuur of karakteristiek beschreven in verband met de uitvoeringsvorm is opgenomen in tenminste één uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding. Dus, voorkomen van de uitdrukkingen 'in één uitvoeringsvorm' of'in een uitvoeringsvorm' op diverse plaatsen doorheen deze specificatie hoeven niet noodzakelijk allemaal naar dezelfde uitvoeringsvorm te refereren, maar kunnen dit wel doen. Voorts, de specifieke kenmerken, structuren of karakteristieken kunnen gecombineerd worden op eender welke geschikte manier, zoals duidelijk zou zijn voor een gemiddelde vakman op basis van deze bekendmaking, in één of meerdere uitvoeringsvormen.

Vergelijkbaar dient het geapprecieerd te worden dat in de beschrijving van voorbeeldmatige uitvoeringsvormen van de uitvinding verscheidene kenmerken van de uitvinding soms samen gegroepeerd worden in één enkele uitvoeringsvorm, figuur of beschrijving daarvan met als doel het stroomlijnen van de openbaarmaking en het helpen in het begrijpen van één of meerdere van de verscheidene inventieve aspecten. Deze werkwijze van openbaarmaking dient hoe dan ook niet geïnterpreteerd te worden als een weerspiegeling van een intentie dat de uitvinding meer kenmerken vereist dan expliciet vernoemd in iedere conclusie. Eerder, zoals de volgende conclusies weerspiegelen, inventieve aspecten liggen in minder dan alle kenmerken van één enkele voorafgaande openbaar gemaakte uitvoeringsvorm. Dus, de conclusies volgend op de gedetailleerde beschrijving zijn hierbij expliciet opgenomen in deze gedetailleerde beschrijving, met iedere op zichzelf staande conclusie als een afzonderlijke uitvoeringsvorm van deze uitvinding.

Voorts, terwijl sommige hierin beschreven uitvoeringsvormen sommige, maar niet andere, in andere uitvoeringsvormen inbegrepen kenmerken bevatten, zijn combinaties van kenmerken van verschillende uitvoeringsvormen bedoeld als gelegen binnen de reikwijdte van de uitvinding, en vormen deze verschillende uitvoeringsvormen, zoals zou begrepen worden door de vakman. Bijvoorbeeld, in de volgende conclusies kunnen eender welke van de beschreven uitvoeringsvormen gebruikt worden in eender welke combinatie.

In de hier voorziene beschrijving worden talrijke specifieke details naar voren gebracht. Het is hoe dan ook te begrijpen dat uitvoeringsvormen van de uitvinding kunnen uitgevoerd worden zonder deze specifieke details. In andere gevallen zijn welgekende werkwijzen, structuren en technieken niet in detail getoond om deze beschrijving helder te houden.

Waar in uitvoeringsvormen van de huidige uitvinding wordt verwezen naar detectie element, wordt verwezen naar het element in een stralingssensorpixel dat ladingen genereert wanneer straling op het element botst. In voorkeursuitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding is het detectie element een foto-elektrisch detectie element dat na botsen van elektromagnetische (EM) straling (röntgenstraling, gammastraling, een stralingsbereik tussen infrarood en ultraviolet, bijvoorbeeld zichtbaar licht in toepassingen gerelateerd met pixelinrichtingen) fotoladingen genereert. Dienovereenkomstig wordt, wanneer naar ladingen wordt verwezen, naar elektrische ladingen verwezen, bijvoorbeeld fotoladingen geproduceerd door EM-straling in die uitvoeringsvormen die een foto-elektrisch detectie element omvatten. De onderhavige uitvinding is daar niet tot beperkt en het detectie element kan ladingen produceren na het botsen van andere typen straling, zoals ioniserende straling, corpusculaire straling (bv. alfastraling), etc.

Wanneer in uitvoeringsvormen van de huidige uitvinding wordt verwezen naar een ladingsopslaginrichting (of CS, voor beknoptheid), wordt naar elke element- of schakelingsconfiguratie verwezen die in staat is tot het opslaan van ladingen (bv. fotoladingen) en het selectief ontladen ervan naargelang de behoeften van de gebruiker, of de specifieke werkingsstadia van de stralingssensorpixel. In sommige niet-beperkende uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding kan de ladingsopslaginrichting schakelelementen zoals condensatoren omvatten.

Waar in uitvoeringsvormen van de huidige uitvinding wordt verwezen naar een schakelaar, wordt verwezen naar een inrichting (bv. een transistor, terwijl de onderhavige uitvinding daar niet tot beperkt is) die de stroom tussen twee toestanden (AAN of UIT) kan reguleren, bijvoorbeeld de schakelaar of schakelaars die de kringloop van lading van en naar de opslaginrichting controleren. Zij kunnen extern worden gereguleerd, of geprogrammeerd, en kunnen worden gebruikt om de ladingen in de ladingsopslaginrichting en in een zwevende diffusieknoop samen te voegen en ze kunnen ook worden gebruikt om het opnieuw instellen van de stralingssensorpixel te controleren.

Waar in uitvoeringsvormen van de huidige uitvinding wordt verwezen naar 'waasvorming', wordt naar een proces verwezen waar de lading in een pixel het verzadigingsniveau van de pixel overschrijdt, en de lading aangrenzende pixels begint te vullen.

Met zwevende diffusieknoop (FD) wordt, in uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding, verwezen naar een deel van de stralingssensorpixel dat is verbonden met de uitleesschakeling (of uitgang), en hij kan andere verbindingen omvatten, zoals verbindingen met de ladingsopslaginrichting of een terugstelschakelaar. In uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding die monolithische sensoren omvatten, kan hij in hetzelfde substraat zijn ingebed als het detectie element, bijvoorbeeld omvattende een gedoteerde regio.

Waar in uitvoeringsvormen van de huidige uitvinding wordt verwezen naar een transferpoort [transfer gate] (TG), wordt verwezen naar elke inrichting die de kringloop van de stroom tussen een detectie element en een FD reguleert. Dit kan worden bereikt door een voorspanningselektrode en een isolerende (bv. oxide) laag op een kanaal tussen de FD en het detectie element, hoewel de onderhavige uitvinding niet door deze voorbeelden beperkt wordt.

In stralingssensorpixels kan een lage intensiteitsdrempel worden gedefinieerd waaronder het detectie element niet in staat is genoeg ladingen voor een betekenisvolle aflezing te produceren. Er kan ook een hoge drempel worden gedefinieerd, die de maximale hoeveelheid ladingen geproduceerd door het detectie element toont, waar voorbij deze hoeveelheid niet zou toenemen ondanks het ontvangen van een hogere stralingsdosis. Er wordt dan gezegd dat de stralingssensorpixel verzadiging bereikte. De verhouding tussen de lage en de hoge drempel is het dynamische bereik. Binnen het kader van de onderhavige uitvinding kan de verzadigingswaarde worden gevarieerd teneinde het dynamische bereik te veranderen. Het dynamische bereik van de stralingssensorpixel kan bijvoorbeeld worden verhoogd. In uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding kan de verzadigingswaarde tijdens integratie worden geselecteerd door het voorspannen van de transferpoort op een gegeven voorspanning Vm, wat zou resulteren in een kleinere verzadiging dan de maximale sensorverzadigingswaarde, verkregen wanneer de transferpoort wordt voorgespannen op een UIT-voorspanning, bv. nul volt.

Overvloedige ladingen boven de geselecteerde verzadiging kunnen worden overgedragen (door het overlopen van de transferpoort) naar de zwevende diffusieknoop. Wanneer in uitvoeringsvormen van de huidige uitvinding wordt verwezen naar overgelopen ladingen, wordt verwezen naar deze overvloedige ladingen die de geselecteerde verzadigingswaarde te boven gaan van ladingen die in het detectie element kunnen worden gehouden.

Een eerste aspect van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het aandrijven van een stralingssensorpixel omvattende ten minste één foto-elektrisch detectie element, een zwevende diffusieknoop en een transferpoort tussen het detectie element en de zwevende diffusieknoop. Een ladingsopslaginrichting is verbonden met de zwevende diffusieknoop via ten minste één schakelaar. De werkwijze maakt het achtereenvolgens voorspannen van de transferpoort op ten minste drie verschillende voorspanningen mogelijk, omvattende ten minste UIT (V0), AAN (Vi) en één of meer tussenliggende voorspanningen (VM). De tussenliggende voorspanning kan bijvoorbeeld een vaste waarde zijn, of kan worden geselecteerd binnen een bereik van mogelijke waarden tussen V0 en Vj.. De waarden V0, Vi, VM kunnen worden geselecteerd afhankelijk van specifieke technologieparameters, gewenste functionaliteit en specificaties.

In specifieke uitvoeringsvormen kunnen de gebruikte waarden bijvoorbeeld V0 = 0 V, Vi = 3 V zijn en de tussenliggende spanning VM kan 0,8 V zijn.

De werkwijze 100, geïllustreerd in het stroomschema van FIG. 1, kan omvatten: - een integratiestap 110. Tijdens deze stap 110 worden ladingen (bv. fotoladingen, bijvoorbeeld fotoladingen gegenereerd door invallende straling, bijvoorbeeld maar niet beperkt tot zichtbaar licht) geïntegreerd op het detectie element, tijdens een integratieperiode. Aan het begin van de integratieperiode wordt de ladingsopslaginrichting CS in contact gebracht 111 met de zwevende diffusieknoop FD, bijvoorbeeld door het sluiten van een schakelaar ('openen van de poort') tussen de ladingsopslaginrichting CS en de zwevende diffusieknoop FD. De integratieperiode omvat verder het aandrijven 112 van de transferpoort tussen het detectie element en de zwevende diffusieknoop naar een vooraf bepaalde tussenliggende voorspanning Vm, volgens de gewenste verzadigingswaarde van het detectie element. Alle mogelijke overgelopen lading kan naar de FD worden overgedragen en men laat de CS ladingen ontvangen. Aan het einde van de integratieperiode en voordat de volgende periode begint, kan de transferpoort optioneel worden aangedreven 113 naar een UIT-voorspanning (zodoende de schakelaar openend, of 'de poort sluitend'). - een uitleesstap 120. Tijdens een uitleesperiode die correspondeert met de uitleesstap, wordt de ladingsopslag uitgezet 121, bijvoorbeeld door het openen van een schakelaar tussen de ladingsopslaginrichting en de zwevende diffusieknoop. Alle lading verzameld in de zwevende diffusieknoop FD tijdens de integratieperiode kan optioneel worden afgelezen 122 van de FD via een uitgangstrap, die kan worden geconfigureerd om een signaal te produceren dat representatief is voor de hoeveelheid elektrische lading, voor weergave of dataopslag. De geïntegreerde ladingen van het detectie element worden overgedragen naar de zwevende diffusieknoop door het aandrijven 123 van de transferpoort op een AAN-voorspanning (de schakelaar sluitend, of de poort 'openend'). Zodra de ladingen zijn overgedragen, wordt de transferpoort voorgespannen 124 op een UIT-voorspanning (opnieuw de poort 'sluitend', de schakelaar openend). De ladingen kunnen worden afgelezen 125 van de zwevende diffusieknoop FD. Gecorreleerde dubbele bemonstering (CDS) kan optioneel worden uitgevoerd 126, bij voorkeur kTC-ruis verminderend. Bovendien kan een samenvoegingsstap worden uitgevoerd door het verbinden 127 van de ladingsopslaginrichting CS met de zwevende diffusieknoop FD. Daarna kan het ladingsniveau van de CS samengevoegd met de ladingen die tijdens de integratieperiode in zwevende diffusieknoop FD kunnen zijn verzameld, worden verkregen 128. De werkwijze kan het opnieuw instellen 129 van de stralingssensorpixel aan het einde van de uitleesperiode omvatten.

De bovenstaande stappen zijn niet beperkend voor de onderhavige uitvinding, zolang de transferpoort achtereenvolgnes wordt voorgespannen op ten minste drie verschillende voorspanningen. Ook kunnen in werkwijzen volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding andere stappen worden inbegrepen. Tijdens de uitleesperiode (bv. na het samenvoegen van de ladingen in de FD, of na the eerste aflezing) kan bijvoorbeeld ook een cyclus van het voorspannen van de transferpoort op UIT-AAN-UIT-toestanden worden uitgevoerd om mede ladingen op te nemen die in de fasen in het detectie element geïntegreerd zijn waarin de transferpoort 'open' was. Het kan ook mogelijk zijn een spoelpoort in te begrijpen die als een sluiter werkt, bijvoorbeeld ter verkrijging van een algemene sluiter in een sensorreeks. De spoelpoort kan bijvoorbeeld worden gebruikt om het moment te bepalen waarop de integratieperiode begint. Het samenvoegen van de ladingen kan verschillende samenvoegingsstappen omvatten, bijvoorbeeld in het geval dat meervoudige opslagelementen de CS omvatten. Andere additionele of alternatieve stappen zouden kunnen zijn het direct van de CS aflezen van de lading, waardoor een CS-signaal wordt gecreëerd dat representatief is voor de opgeslagen lading alléén, dat daarna zou kunnen worden vergeleken of opgeteld bij het FD-signaal alléén zonder de ladingen zelf samen te voegen. Het aflezen van het niveau en het produceren van het signaal zou bijvoorbeeld kunnen worden gedaan met analoge middelen zoals een Voltmeter, of met analog-digitaalomzetters. In de ladingsopslaginrichting kunnen extra terugstelschakelaars worden toegevoegd.

In uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding is er geen uitlezing van ladingen tijdens de integratieperiode en tijdens elke sequentie vindt een enkelvoudige integratieperiode (omvattende het voorspannen van de transferpoort) plaats die de in FIG. 1 getoonde stappen omvat. FIG. 2 toont twee potentiaaldiagrammen 200, 210 van een stralingssensorpixel volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding, corresponderend met één voorbeeldmatige voorspanningsconfiguratie, tijdens de integratieperiode. Handelingen tijdens de integratieperiode kunnen, in uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding, het achtereenvolgens voorspannen van de transferpoort op de tussenliggende voorspanning VM omvatten, daardoor zal de hoogte van de potentiaalbarrière 202, 212 van de transferpoort VM zijn. Ladingen 203, 213 geproduceerd door invallende straling 204, 214 kunnen eerst op het detectie element 205, 215 worden geïntegreerd. Indien de ladingen 203 niet de potentiaalbarrière 202 te boven gaan, wordt het detectie element 205 niet verzadigd, wat correspondeert met het potentiaaldiagram 200. Afhankelijk van de waarde van VM met betrekking tot de stralingsintensiteit ontvangen door het detectie element kunnen de ladingen 213 de sensor 215 verzadigen, wat correspondeert met het potentiaaldiagram 210. De voorspanning VM kan worden geselecteerd uit een bereik van waarden, wat verschillende niveaus van verzadiging tijdens integratie mogelijk maakt. Indien lage waarden worden geselecteerd, zal de stralingssensorpixel voor corresponderende lage stralingsintensiteit worden verzadigd.

Ingeval verzadiging wordt bereikt (de rechterkant van FIG. 2), kan teneinde lek van ladingen te vermijden, alle mogelijke overgelopen lading 216 via de transferpoort 211 (voorgespannen door de tussenliggende voorspanning Vm en de potentiaalbarrière 212 vormend) naar de zwevende diffusieknoop FD worden overgedragen. Indien een schakelaar tussen de zwevende diffusieknoop FD en de ladingsopslaginrichting CS wordt gesloten, kan een deel van deze overgelopen ladingen 216 bij voorkeur op een ladingsopslaginrichting (CS) worden verzameld, waardoor sommige van de effecten worden vermeden die sensoren negatief beïnvloeden, zoals ladingswaasvorming of -lek, die bijvoorbeeld resolutie in sensorreeksen kan verminderen of, dichtbijgelegen detectie elementen verzadigen of, in sommige type sensoren zoals pixelreeksen in camera's, intermodulatie produceren en beeldkwaliteit verminderen.

De opslagladingsinrichting kan daarbij een enkelvoudige condensator verbonden met een schakelaar omvatten die aan het andere einde ervan is verbonden met een zwevende diffusieknoop FD, of kan meer dan één condensator omvatten, bijvoorbeeld in een parallelle configuratie met schakelaars die de ladingsoverdracht ertussen en de zwevende diffusieknoop reguleren. FIG. 3 toont twee potentiaaldiagrammen 300, 310 van de stralingssensorpixel volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding, corresponderend met één voorbeeldmatige voorspanningsconfiguratie tijdens de uitleesperiode.

Voordat de uitleesperiode begint, kan de transferpoort 201, 211 optioneel worden voorgespannen op een UIT-voorspanning V0, waardoor de transferpoort effectief wordt gesloten door de potentiaal 301, 311 en de stroom van ladingen 203, 213 naar de FD wordt onderbroken. Uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding zijn niet tot deze configuratie beperkt.

De schakelaar gekoppeld met de CS kan worden gesloten (waardoor de barrière 302, 312 wordt gecreëerd) zodat alle lading uit de voorafgaande periode in de opslag-CS kan worden gehouden.

In de zwevende diffusieknoop FD kan optioneel een vooraf lezen van ladingen worden uitgevoerd. Indien het aflezen geen significante waarde oplevert, wordt het geval in het eerste diagram 200 van FIG. 2 en het eerste diagram 300 van FIG. 3 afgebeeld. Indien het aflezen aan de andere kant in een significante waarde resulteert, kan het worden voorzien dat de stralingssensorpixel verzadiging bereikte tijdens de integratiefase (aldus corresponderend met de situatie afgebeeld in het tweede diagram 210 van FIG. 2 en in het tweede diagram 310 van FIG. 3). De hoeveelheid 313 ladingen die het verzadigingsniveau te boven ging, kan worden geschat of gemeten. Deze waarde kan bijvoorbeeld worden gebruikt bij aanpassingstechnieken die op stralingssensoren worden toegepast, bijvoorbeeld voor het dynamisch verlagen van de gevoeligheid van de pixels van een camera (waardoor VM in de transferpoort 211 wordt verlaagd en waardoor de barrière 212 in erop volgende blootstellingen tijdens integratie wordt verhoogd, FIG. 2), of alternatief het verhogen van gevoeligheid indien geen verzadiging is bereikt, terwijl de onderhavige uitvinding niet tot dit voorbeeld beperkt is. Alternatief kan optioneel niet het vooraf aflezen van de hoeveelheid 313 ladingen worden uitgevoerd.

De uitleesperiode kan verder, zoals getoond in FIG. 4, een volledige transfer 401, 411 van ladingen uit het detectie element 205, 215 naar de zwevende diffusieknoop FD omvatten. Deze transfer wordt uitgevoerd door het voorspannen van de transferpoort 201, 211 op een AAN-voorspanning Vi (door de transferpoort aan te zetten), waardoor de barrière wordt verwijderd. Flet aflezen van deze ladingen kan worden geïnterpreteerd als het 'signaalniveau' 403, 413. Indien het detectie element niet verzadigd raakte tijdens de integratieperiode, omvat het signaalniveau 403 alleen de ladingen geïntegreerd in het detectie element tijdens de integratieperiode (linkerkant van FIG. 4), terwijl indien het verzadigingsniveau is overschreden tijdens de integratieperiode, de aflezingen van het signaalniveau 413 een combinatie van het uitleesniveau (ontstaande uit de ladingen van de fotodiode overgedragen naar de FD tijdens de uitleesperiode) en het niveau van de overgelopen ladingen overgedragen naar de zwevende diffusieknoop tijdens de integratieperiode omvatten (rechterkant van FIG. 4).

Zoals gezien in FIG. 5, kan de uitleesperiode verder het 'sluiten' van de transferpoort 201, 211 (het voorspannen van de poort op een UIT-potentiaal 301, 311) en het vervolgens samenvoegen van de ladingen van de zwevende diffusieknoop FD met de in de ladingsopslaginrichting CS gehouden ladingen omvatten. Dit kan bijvoorbeeld worden gedaan door het openen van een schakelaar die de ladingsopslaginrichting CS met de zwevende diffusieknoop FD koppelt, zodoende de barrière 302, 312 eliminerend. Ladingen in de zwevende diffusieknoop na het voorspannen van de schakelaar tussen CS en FD met een AAN-spanning zouden samengaan met de opgeslagen ladingen. Na het samengaan kunnen de ladingen als een 'totaal' stralingsniveau 501, 511 worden afgelezen, dat hoger kan zijn dan het maximale verzadigingsniveau dat wordt toegestaan door het detectie element, aldus effectief en bij voorkeur het dynamische bereik van de stralingssensorpixels verhogend. Het zal voor de gemiddelde vakman duidelijk zijn dat de ladingen die aldus worden samengevoegd, alle ontstaan uit eenzelfde integratieperiode.

Conform uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding, in tegenstelling tot sommige oplossingen van de stand van de techniek, is de integratieperiode onafhankelijk van de gevangen signaalniveaus en is hetzelfde voor niveaus van hoog en laag licht.

Bovendien kan men, zoals afgebeeld in FIG. 6, de transferpoort 201, 211 tijdens de uitleesperiode een cyclus laten doorlopen, bijvoorbeeld na het samenvoegen van de ladingen op de FD en de CS (bijvoorbeeld na de stappen van het verbinden 127 van de CS met FD en het verkrijgen 128 van het ladingsniveau, of na het verkrijgen 128 van het ladingsniveau, zoals getoond in FIG. 1). De cyclus kan een cyclus van voorspanningen (UIT-AAN-UIT) omvatten, aangegeven met een pijl, voor het aflezen van alle mogelijke lading 601 gegenereerd door straling 602 die tijdens de uitleesperiode op de sensor botst. Deze ladingen kunnen worden geïnterpreteerd als 'laagversterkend' stralingsniveau 603, die ook kunnen worden samengevoegd en afgelezen, of afgelezen vóór samenvoegen. De onderhavige uitvinding is niet beperkt tot deze voorbeelden en op dezelfde of verschillende momenten van de uitleesperiode kunnen andere cycli worden gebruikt.

Door het van elkaar aftrekken van twee signaalniveaus kan optioneel gecorreleerde dubbele bemonstering (CDS) worden uitgevoerd, waardoor een nauwkeurigere uitleeswaarde wordt verkregen. CDS kan gemakkelijk worden uitgevoerd indien het optionele vooraf aflezen van de zwevende diffusieknoop is uitgevoerd, tussen het laatste uitleessignaal 403, 413 of 501, 511 en het vooraf aflezen van ladingen zoals in FIG. 2. Alternatief kan het ladingsniveau van de opslagladingsinrichting CS worden afgelezen en van het signaalniveau afgetrokken.

Aan het eind van de uitleesperiode kan de stralingssensorpixel opnieuw worden ingesteld, d.w.z. alle aanwezige lading verwijderd.

Een werkwijze volgens uitvoeringsvormen van het eerste aspect van de onderhavige uitvinding wordt niet beperkt door de bovenstaande stappen en perioden. Er kan bijvoorbeeld een afzonderlijke transferpoort worden toegevoegd, waardoor een veelzijdigere elektronische sluiter wordt gecreëerd, afhankelijk van elke specifieke toepassing, die bijvoorbeeld nauwkeurig de duur van ladingsintegratie definieert.

De werkwijze maakt gebruik van een enkelvoudige transferpoort tussen de zwevende diffusieknoop en het detectie element, die kan worden voorgespannen op ten minste drie voorspanningen voor het mogelijk maken van ladingoverloop. De werkwijze volgens verdere uitvoeringsvormen kan het gebruiken omvatten van verdere structuren die overloop mogelijk maken, bijvoorbeeld vaste barrières of verdere transferpoorten die drie voorspanningen accepteren. In dit geval kunnen, na integratie van ladingen in het detectie element, overgelopen ladingen direct van het detectie element naar een opslaginrichting worden overgedragen via een vaste barrière of een transferpoort tussen de opslaginrichting en het detectie element. Aan het einde van de integratieperiode kunnen de ladingen van het detectie element via de zwevende diffusieknoop worden afgelezen en de opgeslagen ladingen kunnen ook daarna worden afgelezen. In een andere uitvoeringsvorm worden ladingen via de eerste transferpoort TG naar een tussenliggende knoop overgedragen die via een overloopbarrière, zoals een vaste barrière of een verdere transferpoort, met de opslaginrichting is verbonden. Indien de lading die de tussenliggende knoop bereikt de maximaal toegestane lading overschrijdt, wordt teneinde parasitaire stromen en ander nadelig effect te vermijden, de overschrijdende lading naar de opslaginrichting (bv. een condensatorknoop) overgedragen. Deze transfer kan hetzij door overloop of via een transferpoort of een transistorpoort worden gedaan. Het detectie element kan van fotoladingen worden uitgeput, aldus waasvorming verminderend. Alle lading overgedragen aan de opslaginrichting kan in een condensator worden gehouden. Dit maakt bijvoorbeeld het aflezen van de ladingen met gebruikmaking van gecorreleerde dubbele bemonstering (CDS) mogelijk. De werkwijze kan verder het overdragen van de ladingen van een tussenliggende knoop naar een zwevende diffusieknoop FD via de tweede TG omvatten, waarbij de ladingen bv. door een uitleesschakeling worden afgelezen. De werkwijze kan verder het overdragen van de ladingen van de condensatorknoop naar de FD via de samenvoegingsschakelaar (bv. het sluiten van de schakelaar) en het aflezen van de lading in de FD omvatten. Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat de lading bij volle toestand [charge in full well] (Qfw) lineair kan worden verhoogd.

Er kunnen andere stappen worden inbegrepen. Het vasthouden van de lading in een condensator kan bijvoorbeeld het vasthouden van de lading in een aantal parallel geschakelde condensatoren omvatten. Optioneel of additioneel kan de lading, met gebruikmaking van schakelaars, voor afwisselende kaders afwisselend worden overgedragen naar een eerste condensator of overgedragen naar een tweede condensator. Voor oneven kaders kunnen de ladingen bijvoorbeeld worden overgedragen naar een eerste condensator en voor even kaders kunnen de ladingen naar een tweede condensator worden overgedragen. De uitlezing kan een vergelijkbare toewijzing volgen en de ladingen uit een eerste condensator kunnen naar de FD worden overgedragen door het openen van de eerste schakelaar en de samenvoegingsschakelaar, terwijl de ladingen uit een tweede condensator naar de FD kunnen worden overgedragen door het openen van de tweede schakelaar en de samenvoegingsschakelaar.

Een tweede aspect van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding heeft betrekking op een stralingssensorpixel omvattende een detectie element, bijvoorbeeld een geïntegreerd detectie element, bijvoorbeeld een fotodiode zoals een PPD, een monolithische fotodiode, terwijl de onderhavige uitvinding niet tot deze voorbeelden beperkt is. Het detectie element is in staat tot het genereren van ladingen als respons op invallende straling; bijvoorbeeld wanneer corpusculaire straling zoals alfa- of bètadeeltjes, positronen, etc. erop botsen; of elektromagnetische straling zoals gammastraling, röntgenstraling, of een straling van een golflengtebereik tussen ver-infrarood en ultraviolet. In specifieke uitvoeringsvormen van het tweede aspect van de onderhavige uitvinding is het detectie element een foto-elektrische sensor die in hoofdzaak gevoelig is voor zichtbare straling.

De stralingssensorpixel omvat verder een zwevende diffusieknoop (FD) verbonden met ten minste één uitgang van de stralingssensorpixel en met ten minste één ladingsopslaginrichting. In specifieke uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding kan de FD in het substraat geïntegreerd zijn; zij kan bijvoorbeeld een oppervlak van n+-dotering in een p-substraat zijn, door een substraatruimte gescheiden van het detectie element, waarbij de ruimte door de transferpoort wordt bestreken. De transferpoort kan een elektrode en isolatielaag omvatten, bijvoorbeeld een oxidelaag.

In uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding wordt tussen het detectie element en de zwevende diffusieknoop een enkelvoudige transferpoort verschaft voor het controleren van alle ladingsoverdracht van het detectie element naar de zwevende diffusieknoop (FD). De enkelvoudige transferpoort kan in het bijzonder de transfer van overgelopen ladingen naar de FD controleren. Vandaar kunnen de ladingen worden overgedragen naar een ladingsopslaginrichting, afhankelijk van de operationele status van een schakelaar tussen de zwevende diffusieknoop en een ladingsopslaginrichting. In specifieke uitvoeringsvormen van het tweede aspect van de onderhavige uitvinding kan de transferpoort zijn verbonden met een aandrijfschakeling die achtereenvolgens de transferpoort op ten minste drie verschillende voorspanningsniveaus kan voorspannen, bijvoorbeeld voorspanningsniveaus corresponderend met een AAN-toestand, een ÜIT-toestand en ook ten minste één tussenliggende toestand. Indien de transferpoort bijvoorbeeld transistorkarakteristieken heeft, kan de tussenliggende spanning worden verkregen door de spanning in de ohmse regio te variëren, hoewel de onderhavige uitvinding daar niet tot beperkt is.

Een ladingsopslaginrichting is een element- of schakelingsconfiguratie die in staat is tot het opslaan van ladingen. Zij kan bijvoorbeeld ten minste één condensator, bv. een geïntegreerde condensator, een metaal-isolator-metaal-, polysilicium-isolator-polysilicium-, MOS-, geïntegreerde condensator omvatten, terwijl ook andere typen mogelijk zijn. De ladingsopslaginrichting kan ook een systeem van condensatoren omvatten, bijvoorbeeld een aantal condensatoren in een parallelle configuratie, of verbonden via schakelaars. De ladingsopslaginrichting kan met de uitgang van de stralingssensorpixel verbonden zijn. De ladingsopslaginrichting kan worden verschaft met middelen voor het opnieuw instellen van de waarde ervan, zij kan bijvoorbeeld met een terugsteltransistor zijn verbonden.

De uitgang kan een uitleesschakeling, analoog-digitaalomzetters, etc. omvatten.

In sommige uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding kan een spoelpoort (bv. een elektronische sluiter) met het detectie element verbonden zijn (bv. verbonden met de PPD).

In sommige uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding is een terugsteltransistor met de zwevende diffusieknoop FD verbonden, voor uitputting van lading in de FD en herstart. In sommige uitvoeringsvormen kan een alternatieve of additionele terugstelling indien gewenst met de ladingsopslaginrichting CS zijn verbonden voor uitputting van de lading onafhankelijk van de opslag, bijvoorbeeld om verschillende verzadigingscycli te creëren. FIG. 7 toont schematisch een configuratie van een stralingssensorpixel volgens een uitvoeringsvorm van het tweede aspect van de onderhavige uitvinding. Er wordt een detectie element 701 getoond, bijvoorbeeld een vastgepinde fotodiode PPD (p+n) op een licht gedoteerd p-substraat 702, hoewel de onderhavige uitvinding daar niet tot beperkt is. De zwevende diffusieknoop 703 kan bijvoorbeeld een in hoge mate gedoteerde n+-regio zijn, terwijl de onderhavige uitvinding daar niet tot beperkt is, verbonden met een uitgang 704, bijvoorbeeld een uitleesschakeling. Tussen de zwevende diffusieknoop 703 en een spanningsbron VDD kan een terugsteltransistor 705 zijn verbonden voor uitputting van ladingen in de zwevende diffusieknoop 703. Een transferpoort 706 is aangepast voor het controleren van de transfer van ladingen van het detectie element 701, bv. vastgepinde fotodiode, naar de zwevende diffusieknoop 703. De transferpoort 706 wordt gereguleerd door een aandrijfschakeling 707, bijvoorbeeld een selector, die in staat is tot het opeenvolgend voorspannen van de transferpoort 706 op een AAN-voorspanning Vi, een tussenliggende of barrièrespanning VM, en een UIT-voorspanning Vo. De aandrijfschakeling 707 kan een extra controle voor selectie van het niveau van de barrièrewaarde VM omvatten, waardoor controle van het verzadigingsniveau van de stralingssensorpixel wordt mogelijk gemaakt, bijvoorbeeld tijdens de in FIG. 2 beschreven integratieperiode. Een ladingsopslaginrichting, bijvoorbeeld een condensator 708, is via een schakelaar 709, bijvoorbeeld een transistor, verbonden met de zwevende diffusieknoop 703 voor het controleren van het laden van de condensator 708 en bijvoorbeeld ook het controleren van alle lading die samenvloeit in de FD 703, bijvoorbeeld tijdens de in FIG. 5 beschreven uitleesfase.

In een stralingssensorpixel volgens uitvoeringsvormen van het tweede aspect van de onderhavige uitvindingen kunnen andere kenmerken aanwezig zijn. FIG. 8 toont bijvoorbeeld een afzonderlijke transferpoort die fungeert als een elektronische sluiter 801 verbonden met het detectie element 701, bv. fotodiode die de ladingen van het detectie element naar een afvoerregio kan ledigen, bijvoorbeeld 802. De elektronische sluiter kan bijvoorbeeld een algemene sluiter zijn en hij kan de controle van de timing van bepaalde fasen (bv. de integratiefase) verbeteren. De onderhavige uitvinding omvat andere mogelijkheden, zoals verbinding van de elektronische sluiter 801 met een wisselstroom of signaalknoop in plaats van een gelijkspanning.

Alternatief of additioneel aan de terugstelschakelaar 705 verbonden met de uitgang 704 kan een opslagterugstelsysteem 803, bijvoorbeeld een transistor, aan de ladingsopslaginrichting 708 (bv. een condensator) worden toegevoegd, bijvoorbeeld tussen de ladingsopslaginrichting 708 en de schakelaar 709 voor het controleren van de opslaginrichting 708 (en het controleren van het samenvoegingsproces).

Nog een andere mogelijkheid, afgebeeld in FIG. 9, toont een alternatieve ladingsopslaginrichting 901 verbonden met de uitgang 704 en de zwevende diffusieknoop 703, zoals eerder. De alternatieve ladingsopslaginrichting 901 omvat een aantal condensatoren, bijvoorbeeld drie condensatoren 911, 912, 913, alle met elkaar verbonden met samenvoegingsschakelaars 923, 922 ertussen. Hoewel in dit voorbeeld de condensatoren en schakelaars zich in serie bevinden, is de onderhavige uitvinding daar niet tot beperkt en andere configuraties (bijvoorbeeld parallelle verbinding van condensatoren en schakelaars) zijn ook mogelijk. De alternatieve ladingsopslaginrichting 901 is, zoals in andere uitvoeringsvormen, via een schakelaar 709 met de zwevende diffusieknoop 703 verbonden.

Een mogelijke sequentie van poortvoorspanning en uitlezing van de zwevende diffusieknoop wordt getoond in FIG. 10. De schematische sensor van FIG. 7 in aanmerking nemend, toont TERUGSTEL-grafiek 1001 de schakelsequentie van de terugsteltransistor 705, SAMENVOEGING-grafiek 1002 toont de schakelsequentie van de schakeltransistor 709 tussen de zwevende diffusieknoop 703 en de ladingsopslaginrichting, TG-grafiek 1003 toont de schakelsequentie van de transferpoort 706, de grafiek FD 1004 toont de signaalaflezing in de zwevende diffusieknoop 703 en de TG2-grafiek 1005 toont de schakelsequentie van een optionele elektronische sluiter. Grafiek FD 1004 kan als het uitleessignaal worden beschouwd.

Het kan worden gezien dat in de periode tot tO, die correspondeert met de integratieperiode, de terugsteltransistor 705 laag wordt voorgespannen, daarom is de terugstelschakelaar gesloten. Het wordt verondersteld dat vóór de start van de werking de zwevende diffusieknoop is teruggesteld op een hoog niveau (VDD), zoals kan worden gezien uit grafiek 1004. De samenvoegingstransistor wordt naar hoog voorgespannen, daardoor wordt de ladingsopslaginrichting 708 aangedreven om ladingen te kunnen accepteren. De transferpoort 706 wordt voorgespannen op een VM-voorspanning, die lager is dan het AAN-signaal. Ladingen geproduceerd door het detectie element 701 als respons op invallende straling, kunnen via de transferpoort 706 naar de zwevende diffusieknoop 703 stromen, en vanaf daar via de samenvoegingsschakelaar 709 naar de ladingsopslaginrichting 708. Het signaal op de zwevende diffusieknoop (grafiek 1004) toont of overloop heeft plaatsgevonden; wat niet het geval is in de specifieke geïllustreerde uitvoeringsvorm. Op tijdstip tO, dat het einde is van de integratieperiode, sluit de transferpoort 706 (TG wordt naar een UIT-voorspanning aangedreven, bijvoorbeeld een kleine spanning, of een 0-spanning, terwijl de onderhavige uitvinding niet door deze waarden beperkt wordt) en de ladingsopslaginrichting (SAMENVOEGING 1002) accepteert door het openen van de samenvoegingsschakelaar 709 geen ladingen (bijvoorbeeld door het voorspannen van een samenvoegingstransistor op laag). De integratieperiode is beëindigd.

Tussen tO en tl staan de terugstelschakelaar 705 en de samenvoegingsschakelaar 709 uit, bijvoorbeeld door het voorspannen van de corresponderende transistoren op laag, en de transferpoort 706 wordt ook op laag voorgespannen. Ladingen geproduceerd door het detectie element 701 worden niet langer doorgegeven naar de zwevende diffusieknoop 703. De FD 1004 toont het overloopniveau R1 (door de interferentie van de SAMENVOEGING-schakelaar kan dit niveau iets lager zijn dan het TERUGSTEL-niveau vóór tO), dat kan worden uitgelezen door middel van de uitgangsschakeling 704.

Vervolgens wordt, op tl, de transferpoort 706 voorgespannen op een AAN-voorspanning (ingeval van een transistor zou de spanning bijvoorbeeld de verzadiging karakteristiek voor de transistor zijn), zoals kan worden gezien in de TG-grafiek 1003, terwijl de terugstelschakelaar 705 en de samenvoegingsschakelaar 709 nog steeds UIT zijn. De lading aanwezig in het detectie element 701 wordt overgedragen van het detectie element naar de zwevende diffusieknoop 703.

Op het tijdstip t2, na uitputting van het detectie element, wordt de transferpoort 706 weer naar een UIT-voorspanning aangedreven en de hoeveelheid ladingen aanwezig bij de zwevende diffusieknoop 703 kan worden uitgelezen. Het uitgelezen signaal SI correspondeert met de hoeveelheid ladingen overgedragen van het detectie element 701 naar de zwevende diffusieknoop 703 tijdens de ladingsoverdrachtperiode tl-t2, samen met sommige ladingen die al op de zwevende diffusieknoop aanwezig waren door overloop van het detectie element. Het aflezen SI van de zwevende diffusieknoop kan samen met de eerdere aflezing R1 van het terugstelniveau of het overloopniveau worden gebruikt ter verkrijging van een stroomafwaartse CDS-uitgang.

Op t3 wordt de samenvoegingsschakelaar 709 gesloten, bijvoorbeeld door het voorspannen van een samenvoegingstransistor op hoog. De ladingen van de ladingsopslaginrichting worden samengevoegd met de ladingen aanwezig op de zwevende diffusieknoop 703 en er kan een verdere uitlezing S2 van de zwevende diffusieknoop worden afgenomen. Beide uitleessignalen SI en S2 resulteren in een uitlezing die een hoger dynamisch bereik heeft dan de uitlezing van het detectie element alléén.

Op t4 wordt de terugstelschakelaar 705 gesloten, bijvoorbeeld door het voorspannen van een terugsteltransistor op hoog, aldus de zwevende diffusieknoop opnieuw op terugstelniveau instellend. Optioneel kan de transferpoort 706 ook op hoog worden voorgespannen, waardoor ook het detectie element 701 opnieuw wordt ingesteld. Er kan een nieuwe cyclus integratie + uitlezing beginnen.

Indien een elektronische sluiter aanwezig is, toont grafiek TG2 1005 een additionele controle van het proces tijdens de integratie- en uitleesperioden. Wanneer de TG2 hoog is, dus 'aan', voert deze voortdurend de fotoladingen van de fotodiode af. De integratieperiode begint in feite pas echt wanneer TG2 naar laag gaat, dus 'uit'. Daarom maakt de elektronische sluiter TG2 het mogelijk de start van de integratieperiode te wijzigen.

Een andere mogelijke sequentie wordt in FIG. 11 getoond. Deze sequentie verwijst naar de schematisch in FIG. 9 geïllustreerde schakeling, waarbij de SAMENVOEGINGl-grafiek 1101 naar de toestand van de samenvoegingsschakelaar 709 verwijst, de SAMENVOEGING2-grafiek 1102 naar die van de tweede schakelaar 922 verwijst en de SAMENVOEGING3-grafiek 1103 naar die van de derde schakelaar 923 verwijst.

De integratieperiode (tot tO), de uitleesperiode van het terugstel- of overloopniveau (tussen tO en tl) en de ladingsoverdrachtperiode (tussen tl en t2) zijn hetzelfde als in het voorbeeld van FIG. 10. Tijdens de feitelijke signaaluitleesperiode van het onderhavige voorbeeld wordt echter achtereenvolgens samenvoeging van de ladingen opgeslagen in de drie condensatoren 911, 912 en 913 met de ladingen in de zwevende diffusieknoop 703 uitgevoerd. Eerst vindt tussen tijdstippen t2 en t3 een uitlezing van het signaalniveau SI op de zwevende diffusieknoop 703 plaats, net als in het voorbeeld van FIG. 10. Daarna, op tijdstip t3, wordt de samenvoegingsschakelaar 709 aangezet, bijvoorbeeld door het voorspannen van een corresponderende samenvoegingstransistor op hoog, en wordt een signaalniveau S2, corresponderend met samengevoegde ladingen van de zwevende diffusieknoop en de eerste ladingsopslagknoop 911, uitgelezen, ook net als in het voorbeeld van FIG. 10. Op tijdstip t3', terwijl de samenvoegingsschakelaar 709 AAN blijft, wordt een tweede samenvoegingsschakelaar 922 aangezet, en daarna wordt een signaalniveau S3 uitgelezen, corresponderend met de eerdere samengevoegde ladingen samen met de ladingen die eerder waren opgeslagen op de tweede ladingsopslaginrichting 912. Op tijdstip t3" wordt, terwijl de samenvoegingsschakelaars 709 en 922 aan blijven, een derde samenvoegingsschakelaar 923 aangezet, een signaalniveau S4 wordt uitgelezen, corresponderend met de eerdere samengevoegde ladingen samen met de ladingen die eerder waren opgeslagen op de derde ladingsopslaginrichting 913. De integratieperiode wordt getoond als pijlen in de onderste diagram van FIG. 10. Elke sequentie kan een enkelvoudige integratieperiode omvatten waarin de poort 706 opeenvolgend op 3 niveaus wordt voorgespannen, zoals uitgelegd. Nadat de sequentie eindigt, kunnen een nieuwe sequentie en een nieuwe integratieperiode starten.

De onderhavige uitvinding wordt niet beperkt door de bovenstaande illustratieve uitvoeringsvormen, en additionele of alternatieve sequenties kunnen worden inbegrepen (bv. met gebruikmaking van tweestapsladingsopslag, additionele terugstelsequenties, etc.). In FIG. 12 tot en met FIG. 15 wordt bijvoorbeeld het bovenaanzicht van verdere stralingssensorpixelconfiguraties getoond. In de figuren zijn actieve gebieden (bv. fotodiode, bronnen, afvoeren) van een patroon voorzien, terwijl barrières (bv. transistorpoorten, transferpoorten, vaste barrières) met een wit vak worden weergegeven. FIG. 12 toont een implementatie van een pixel volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding, met een detectie element zoals een vastgepinde fotodiode (PPD) 701, via een eerste transferpoort (TG) 706 verbonden met een optionele tussenliggende knoop 1201. De tussenliggende knoop 1201 is via een tweede TG 1202 verbonden met de zwevende diffusie (FD) 703. De condensatorknoop 1203 van de CS is via de transistor 709, eerder gepresenteerd in FIG. 7, verbonden met de FD 703. In de in FIG. 12 getoonde uitvoeringsvorm kan de condensatorknoop 1203 van de CS via een barrière 1204 (bv. een vaste of passieve potentiaalbarrière, een transferpoort, etc.) met de tussenliggende knoop 1201 zijn verbonden. Wanneer de eerste TG 706 wordt gepulseerd, worden in het detectie element 701 geïntegreerde fotoladingen overgedragen naar de tussenliggende 1201. Indien de lading de maximale capaciteit van de tussenliggende knoop 1201 te boven gaat, loopt zij over de potentiaal die is ingesteld door de barrière 1204 naar de condensatorknoop 1203. De potentiaal van de barrière 1204 kan bij voorkeur lager zijn dan de potentiaal van de tweede TG 1202, wat mogelijk maakt dat ladingen eerst overlopen van de tussenliggende knoop 1201 naar de CS-knoop 1203 in plaats van naar de FD of naar een willekeurig omringend substraat (bv. in geïntegreerde inrichting), waardoor waasvorming en andere parasitaire effecten worden verminderd.

De condensatorknoop 1203 kan via één schakelaar 1207,1208 elk zijn verbonden met een enkelvoudige condensator of met een aantal (bv. twee) condensatoren 1205, 1206 parallel. Een verdere schakelaar 705, of 'terugstelschakelaar', kan de FD met een spanning Vdd verbinden voor het wanneer vereist opnieuw op een startwaarde instellen van de FD. FIG. 13 toont een alternatieve uitvoeringsvorm waarbij fotoladingen in het detectie element 701 kunnen worden overgedragen naar een opslagknoop 1201 en daarna naar een zwevende diffusieknoop 703 via een transferpoort 706 volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding. Verder is de condensatorknoop 1203 van de CS via een vaste of variabele barrière 1301, die bijvoorbeeld een transistorpoort, een vaste (bv. passieve potentiaal-) barrière, of elke andere geschikte barrière kan zijn, met het detectie element 701 verbonden. De condensatorknoop 1203 is verder verbonden met parallelle condensatoren 1205, 1206 die verder zijn verbonden met hun corresponderende schakelaars 1207, 1208 en met een aantal condensatoren 1302,1303. Er worden een paar schakelaars of barrières 1304, 1305 toegevoegd zodat de condensatoren 1205,1206 niet overladen, wat mogelijk maakt dat de extra ladingen passeren en in de verdere condensatoren 1302, 1303 worden opgeslagen. Andere uitvoeringsvormen met vergelijkbare configuratie kunnen een tussenliggende knoop (zoals de in FIG. 12 getoonde knoop 1201) omvatten die door een tweede TG van de zwevende diffusie 703 is gescheiden. FIG. 14 en FIG. 15 tonen uitvoeringsvormen van pixelschakelingen volgens de onderhavige uitvinding, omvattende een vastgepinde fotodiode, en twee vertakkingen, elk omvattende een CS. In deze uitvoeringsvormen omvat elke vertakking een optionele tussenliggende knoop. Fotoladingen van het detectie element (bv. een PPD) 701 kunnen in beide vertakkingen worden opgeslagen en worden afgelezen in een unieke FD 703 (FIG. 14), of in twee FD's 1503, 703, één voor elke vertakking (FIG. 15). Deze geparallelliseerde topologie maakt 'sluiter met buisleiding' [pipeline shutter] mogelijk, waardoor mogelijk wordt gemaakt dat fotolading van afwisselende kaders of integratietijden alternatief in de ene vertakking of de andere wordt opgeslagen, waardoor uitleesflexibiliteit en dynamisch bereik worden verhoogd. FIG. 14 toont een uitvoeringsvorm met twee tussenliggende knopen 1201, 1401 die via een eerste paar TG's 706, 1402 met het detectie element 701 zijn verbonden. Beide tussenliggende knopen 1201, 1401 zijn verder via een tweede paar TG 1202, 1402 met een unieke FD 703 verbonden. Elke condensatorknoop 1203, 1403 van de CS is verbonden met een condensator 708, 1404 in elke vertakking. De condensatorknopen zijn verder met het detectie element 701 verbonden door twee potentiaalbarrières 1301, 1405 die er één van een poort, een vaste barrière zoals een passieve potentiaalbarrière, etc. kunnen zijn. De condensatorknopen en de unieke FD 703 zijn verbonden via twee samenvoegingsschakelaars 709, 1406 van elk geschikt type. FIG. 15 toont de twee tussenliggende knopen 1201,1501 die via een eerste paar TG's 706, 1502 met het detectie element 701 zijn verbonden. Beide tussenliggende knopen 1201, 1501 zijn verder met een corresponderende (afzonderlijke) FD 703, 1503 in elke vertakking verbonden, via een tweede koppel van TG 1202, 1504. Dit maakt twee uitlezingen per pixel mogelijk. Elke condensatorknoop 1203, 1505 is verbonden met een condensator 708, 1506 in elke vertakking, en met de tussenliggende knoop door twee potentiaalbarrières 1204, 1507 (die elke geschikte barrière kunnen zijn, bv. een variabele of vaste potentiaalbarrière). De condensatorknopen 1203, 1506 en de FDs 703, 1503 zijn verbonden via twee samenvoegingsschakelaars 709,1508 van elk geschikt type.

Volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding kan de TG tussen het detectie element en de FD of de tussenliggende knoop op drie toestanden worden ingesteld, en de TG's en variabele barrières die als ladingspoorten tussen de ladingsopslag en FD' s, tussenliggende knopen of detectie elementen fungeren, kunnen op één van twee toestanden (AAN of UIT, de stroom van ladingen toestaand of blokkerend) of op drie of meer toestanden (AAN, UIT en ten minste één verdere tussenliggende overlooptoestand, waarbij alleen ladingen over een vooraf bepaalde ladingsdrempel worden toegestaan om te stromen) worden ingesteld. Dit kan worden bereikt door transistoren, transferpoorten, gelijkstroompoorten, etc.

Claims

Conclusies

1. - Werkwijze voor het aandrijven van een stralingssensorpixel omvattende een detectie element dat in staat is tot ladingsproductie als respons op invallende straling, een zwevende diffusieknoop verbonden met een uitleesschakeling, ten minste één transferpoort tussen het detectie element en de zwevende diffusieknoop, en een ladingsopslaginrichting die met de zwevende diffusieknoop verbonden is via ten minste één schakelaar voor het regelen van de stroom door een AAN voorspanning om ladingsstroom toe te laten, en een UIT voorspanning om ladingsstroom tussen de ladingsopslaginrichting en de zwevende diffusieknoop te verhinderen, de werkwijze omvattende het achtereenvolgens voorspannen van de transferpoort op ten minste drie verschillende voorspanningen, waarbij de ten minste drie voorspanningen ten minste een UIT-voorspanning omvatten, ten minste één tussenliggende voorspanning en een AAN-voorspanning om toe te laten dat de lading in het detectie element naar de zwevende diffusieknoop wordt overgedragen terwijl de schakelaar UIT is, de werkwijze verder omvattende het de ladingsopslaginrichting ten minste tijdens het voorspannen van de transferpoort op de tussenliggende voorspanning laten accepteren van ladingen.
2. - Werkwijze van conclusie 1, waarbij het aandrijven van de stralingssensorpixel verder ten minste een integratieperiode omvat tijdens welke ladingen op het detectie element worden geïntegreerd, waarbij het achtereenvolgens voorspannen van de ten minste ene transferpoort op ten minste drie verschillende voorspanningen het voorspannen van de transferpoort op de tussenliggende voorspanning tijdens ten minste een deel van de integratieperiode omvat, aldus naar de zwevende diffusieknoop en de ladingsopslaginrichting een deel van de geïntegreerde ladingen overdragend die de transferpoort kunnen overlopen.
3. - Werkwijze van conclusie 2, waarbij het overdragen naar de zwevende diffusieknoop en de ladingsopslaginrichting van een deel van de geïntegreerde ladingen het naar een tussenliggende knoop en de ladingsopslaginrichting overdragen omvat van een deel van de geïntegreerde ladingen die de transferpoort kunnen overlopen, waardoor de ladingen van de tussenliggende knoop naar de zwevende diffusieknoop verder worden overgedragen.
4. - Werkwijze van een van de voorafgaande conclusies, waarbij het overdragen naar de ladingsopslaginrichting van een deel van de geïntegreerde ladingen het overbrengen omvat van een deel van de geïntegreerde ladingen direct van het detectie element naar de ladingsopslaginrichting via een potentiaalbarrière of een tweede transferpoort tussen het detectie element en de ladingsopslaginrichting.
5. - Werkwijze van een van de voorafgaande conclusies, verder omvattende het samenvoegen van ladingen opgeslagen op de ladingsopslaginrichting met ladingen aanwezig op de zwevende diffusieknoop.
6. - Werkwijze van conclusie 2 tot 5, waarbij het aandrijven van de stralingssensorpixel verder ten minste een uitleesperiode omvat tijdens welke ladingen die eerder zijn geïntegreerd op het detectie element worden uitgelezen, waarbij het achtereenvolgens voorspannen van de transferpoort op ten minste drie voorspanningen een tijdelijk voorspannen van de transferpoort op AAN-voorspanning omvat, aldus de geïntegreerde ladingen naar de zwevende diffusieknoop overdragend, terwijl niet wordt toegelaten dat de ladingsopslaginrichting ladingen accepteert, en het vervolgens aflezen van de ladingsniveaus in de zwevende diffusieknoop.
7. - Werkwijze van conclusie 2-6, waarbij het aandrijven van de stralingssensorpixel ten minste een uitleesperiode omvat tijdens welke ladingen die eerder zijn geïntegreerd op het detectie element worden uitgelezen, waarbij het achtereenvolgens voorspannen van de transferpoort op ten minste drie voorspanningen het voorspannen van de transferpoort door de UIT-voorspanning tussen de integratieperiode en de eropvolgende uitleesperiode omvat.
8. - Werkwijze van een van de conclusies 6 of 7, waarbij gecorreleerde dubbele bemonstering wordt uitgevoerd op het verschil in ladingen aanwezig op de zwevende diffusieknoop vóór en na het voorspannen van de transferpoort AAN.
9. - Werkwijze van een van de conclusies 2 of 3, waarbij het overdragen van een deel van de geïntegreerde ladingen uit het detectie element slechts via één transferpoort wordt uitgevoerd.
10. - Werkwijze van een van de voorafgaande conclusies, waarbij een elektronische sluiterpoort in staat is de lading van het detectie element opnieuw in te stellen.
11. - Stralingssensorpixel omvattende: een detectie element in staat tot ladingsproductie als respons op invallende straling, een zwevende diffusieknoop verbonden met een uitleesschakeling, een enkelvoudige transferpoort tussen het detectie element en de zwevende diffusieknoop, een ladingsopslaginrichting verbonden met de zwevende diffusieknoop via een schakelaar, waarbij de stralingssensorpixel verder een aandrijfschakeling omvat aangepast voor het achtereenvolgens voorspannen van de enkelvoudige transferpoort op ten minste drie verschillende voorspanningsniveaus, waarbij de verbindingen tussen het detectie element en de zwevende diffusieknoop en tussen de ladingsopslaginrichting en de zwevende diffusieknoop zijn aangepast om overdracht van ladingen in het detectie element naar de zwevende diffusieknoop toe te laten terwijl de schakelaar UIT is.
12. - Sensorpixel van conclusie 11, verder omvattende een uitgangstrap geconfigureerd om een signaal te genereren dat representatief is voor de hoeveelheid elektrische lading op de zwevende diffusieknoop afzonderlijk, op de ladingsopslaginrichting afzonderlijk, of op beide.
13. - Sensorpixel van een van de conclusies 11 of 12, waarbij het detectie element ten minste één vastgepinde fotodiode omvat.
14. - Sensorpixel van een van de conclusies 11-13, verder omvattende een tussenliggende knoop tussen het detectie element en de zwevende diffusieknoop.
15. - Sensorpixel van een van de conclusies 11-14, waarbij de ladingsopslaginrichting een condensatorknoop verbonden met ten minste één condensator omvat.
16. - Sensorpixel van conclusie 15, verder omvattende een overlooppoort tussen de condensatorknoop en het detectie element of tussen de condensatorknoop en de zwevende diffusieknoop.
17. - Sensorpixel van conclusie 16, waarbij de overlooppoort een vaste barrière of een transferpoort is die een aandrijfschakeling aangepast voor het achtereenvolgens voorspannen van de transferpoort op twee of drie verschillende voorspanningsniveaus omvat.
18. - Sensorpixel van een van de conclusies 11-17, waarbij de ladingsopslaginrichting een geïntegreerde transistor omvat die is geconfigureerd om selectief een geleidend pad tussen de ladingsopslaginrichting en de zwevende diffusieknoop te openen.
19. - Sensorpixel van een van de conclusies 11-17, die verder een tussenliggende knoop omvat tussen het detectie element en de zwevende diffusieknoop, en een transferpoort om ladingsoverdracht tussen de tussenliggende knoop en de zwevende diffusieknoop toe te laten.
20. - Sensorpixel van conclusie 11-19, verder omvattende een terugsteltransistor.
21. - Sensorpixel van conclusie 20, waarbij de terugsteltransistor met de zwevende diffusieknoop is verbonden.
22. - Sensorpixel van conclusie 20, waarbij een terugsteltransistor met de ladingsopslaginrichting is verbonden.
23. - Sensorpixel van een van de conclusies 11-22, verder omvattende een spoelpoort verbonden met het detectie element.
24. - Sensorpixel van een van de conclusies 11-23, waarbij het detectie element is uitgerust voor detectie van elektromagnetische straling, deeltjes of beide.