BRPI0514449B1

BRPI0514449B1 - Radiation semiconductor detector with modified internal door structure

Info

Publication number: BRPI0514449B1
Application number: BRPI0514449-3A
Authority: BR
Inventors: Aurola Artto
Original assignee: Aurola Artto
Priority date: 2004-08-20
Filing date: 2005-08-22
Publication date: 2017-11-14
Also published as: BRPI0514449A; FI20041479A0; FI20041479A; WO2006053938A1

Abstract

detector semicondutor de radiação com uma estrutura de porta interna modificada a invenção se refere a um dispositivo detector semicondutor de radiação que compreende uma camada condutora de lado traseira (102) de um primeiro tipo de condutividade e uma camada de corpo (103) . pelo lado distal oposto à camada condutora de lado traseiro (102) tem-se uma camada interna de porta modificada (104) de um segundo tipo de condutividade, uma camada de barreira (105) da primeira condutividade e dopagens de pixels (110, 112, 506, 510, 512) do segundo tipo de condutividade. as dopagens de pixel são adaptadas para serem acopladas a uma tensão de pixel, definida como uma diferença de potencial a um potencial da camada condutora de lado traseiro (102), e que cria mínimos potenciais dentro do material do detector para atrair as cargas do sinal.

Description

DETECTOR SEMICONDUTOR DE RADIAÇÃO COM UMA ESTRUTURA DE

PORTA INTERNA MODIFICADA

Campo técnico [001] A invenção está relacionada em geral com a tecnologia de detectores semicondutores de radiação. Especialmente, a invenção concerne à maneira em como as regiões de semicondutor de dopagens diferentes são arranjadas entre si no detector, e como seus potenciais elétricos são tratados, a fim de maximizar o desempenho de um detector semicondutor de radiação.

Fundamentos da invenção [002] O principio de operação de detectores semicondutores de radiação é baseado em uma junção pn com polarização inversa, criando uma zona de depleção do semicondutor, onde existe um campo elétrico. Um fóton que incide (ou uma partícula, tal como uma partícula alfa ou partícula beta ou próton) causa um efeito fotoelétrico, criando localmente pares elétron/buraco. O campo elétrico da região de depleção segrega os portadores de carga, um tipo deles é usado como a carga do sinal. A quantidade medida de carga de sinal é usada para determinar a intensidade da radiação.

[003] Um detector semicondutor conhecido de radiação é o CCD (dispositivo charge-coupled), que pode também ser caracterizado como um dispositivo de transferência de carga (CTD), significando que a carga é transferida possivelmente a longas distâncias antes que seja medida. Os antigos CCDs eram dispositivos do tipo de canal de superfície, significando que a carga é transportada na interface silício-dióxido de silício. A interface tem, entretanto, uma abundância de defeitos na superfície que reúne (collect) a carga a ser transportada, assim diminuindo a eficiência de transporte de carga. Uma melhoria substantiva no desempenho de CCDs foi a transição para CCDs de canais enterrados, onde a carga do sinal é transportada em um canal por baixo da superfície.

[004] Em dispositivos iluminados pela frente, aonde a radiação incidente vem através das portas de transferência da carga (feitas geralmente em poli silício), a porta e os materiais da isolação absorvem uma porção da radiação. A absorção é particularmente intensa para luz azul, radiação ultravioleta (UV) e radiação branda de raios-X e para partículas de baixa energia, prejudicando a chamada resposta azul de um detector da radiação. Uma maneira óbvia para melhorar a resposta azul é usar dispositivos iluminados pela porção traseira, onde todos os circuitos manipuladores de carga, isto é, camadas grossas de materiais insensíveis à radiação, se localizam no lado dianteiro do dispositivo.

[005] 0 substrato neutro na porção traseira dos CCDs tradicionais iluminados por trás deve ser lavado quimicamente por ácido a fim de obter uma resposta azul boa, fazendo estes dispositivos muito finos: tipicamente ao redor de 50 micra ou menos. O processo químico é difícil e tendente a resultar provavelmente em rendimento baixo de produção. O substrato fino causa também outros problemas. A profundidade de penetração de fótons infravermelhos, vermelhos e próximos ao infravermelho no silício é facilmente maior do que a espessura do substrato, tendo por resultado uma resposta vermelha ruim e o frisado, isto é, padrões a modo de onda em uma imagem. A introdução de uma camada fina de lado posterior polarizada, descrita, por exemplo, na patente US 6.025.585 e US 6.259.085, combinadas com um substrato de alta resistividade, permitia o uso de substratos espessos com depleção total em CCDs iluminados por trás resultando em boas respostas em vermelho e azul.

[006] O "blooming" é um efeito que interfere que ocorre quando um ponto brilhante em uma imagem resulta em carga de sinal suficiente para preencher a capacidade de carga do pixel e começa a encher pixels adjacentes. Este fenômeno pode ser impedido pelo uso de estruturas "antiblooming". O CCD de iluminação traseira com depleção total é apresentado na patente US 6.259.085 que carece, entretanto, de tal estrutura antiblooming. O smearing é um outro problema observado durante a fase de transporte da carga quando um ponto brilhante adiciona carga a todos os pacotes de carga transportados através dele.

[007] Um problema adicional na US 6.259.085 e, geralmente em CCDs, é que o quadro inteiro da imagem tem que ser transportado e lido, mesmo se somente uma fração da imagem for de interesse, fazendo a operação de CCDs inflexível e lenta. Estes problemas não estão presentes nos sensores ativos de pixel (APS), onde os pixels podem ser lidos de forma aleatória e onde a carga do sinal não é transportada, o que os torna rápidos, flexíveis e imunes ao smear. Contrariamente ao que ocorre em CCDs, pixels defeituosos em detectores do APS não afetarão outros pixels o que aumenta o rendimento de produção e abaixa custos produção. A qualidade da imagem pode, entretanto, ser pobre a menos que um amplificador da alta qualidade seja associado a cada pixel. A melhor maneira para realizar o amplificador é usar a carga atraída como uma porta interna de um transistor unipolar, como um transistor de efeito de campo de junção (JFET) ou um FET semicondutor de óxido de metal (MOSFET). Destes transistores, o JFET é vantajoso. A estrutura interna da porta consiste em um mínimo de energia potencial para as cargas do sinal por baixo do canal de um FET. As cargas do sinal reunidas no mínimo de energia potencial alargam o canal, assim diminuindo a resistência do canal. As boas propriedades de amplificação de um FET com porta interna são relacionadas à sua capacitância total pequena a sua capacitância parasita pequena à interface de capacitância total e à leitura não destrutiva permitindo que a carga do sinal seja lida muitas vezes.

[008] Um bom exemplo de uma estrutura interna de porta é apresentada na patente US 5.712.498 (onde a porta interna é chamada de porta (ou gate) e a porta real é chamada de porta traseira). Nesta patente, a estrutura JFET é apresentada na figura acima de um canal enterrado formando à porta interna. A fonte do JFET e as áreas de dreno são adicionalmente isoladas por óxido em interface ao wafer do semicondutor. Esta estrutura do amplificador é usada preferivelmente como um dispositivo APS mas pode igualmente ser bem empregada em uma estrutura CCD. O dispositivo é iluminado por trás e deve ser diminuído em espessura a fim de se conseguir uma boa resposta azul. A resposta vermelha é ruim devido à natureza fina do dispositivo. Uma outra patente, US 5.786.609 da técnica anterior apresenta um detector de radiação APS de iluminação traseira com um JFET equipado com uma estrutura interna de porta e um substrato grosso com depleção plena. 0 dispositivo tem assim boas respostas vermelha e azul. Além disso, apresenta um fator de enchimento de 100%.

[009] O limite final de desempenho para detectores semicondutores de radiação é determinado pela fuga ou corrente escura, que se mistura com a carga do sinal distorcendo a medição do sinal. A corrente de fuga pode ser dividida em três componentes. Uma componente surge das regiões de depleção no dispositivo. Como a operação de detectores semicondutores é baseada na região de depleção, esta componente de corrente não pode ser eliminada. Ao se reduzir o tamanho da região de depleção, diminui esta componente de corrente, porém, pelo outro lado, isto degrada a sensibilidade para uma radiação de penetração profunda. A única maneira razoável para minimizar esta componente de corrente é minimizar a quantidade de defeitos no material semicondutor, isto é, devem-se usar substratos da alta qualidade e processos de produção selecionados com cuidado.

[010] Uma segunda componente da corrente de escapamento é a corrente de difusão que surge das adjacências da região de depleção. Esta componente é, entretanto, somente significativa em bordas das regiões de depleção em material de elevada resistência. Em detectores com depleção plena feitos de material de alta resistência este é o caso somente fora da área ativa, isto é, por fora da área onde os pixels estão localizados. Esta componente de corrente pode facilmente ser eliminada, por exemplo, cercando a área ativa com um anel protetor polarizado.

[011] A terceira e geralmente a maior fonte proeminente de corrente de fuga é a corrente de interface, conhecida também como a corrente superficial da geração. Esta componente de corrente surge das áreas de depleção no semicondutor próximas à superfície ou interfaces com materiais diferentes, a qual doravante se faz remissão como a corrente superficial.

[012] A razão pela qual a corrente superficial forma uma parcela tão grande de corrente total de fuga é devido ao fato de que a densidade de defeitos é elevada em superfícies e em interfaces. O silício foi usado extensamente como materiais de detectores desde que os substratos de alta qualidade se tornaram facilmente disponíveis e desde que a interface de silício a dióxido do silício apresenta uma quantidade relativamente baixa de defeitos. Mesmo em estruturas de detectores baseadas em silício a corrente superficial é geralmente uma fonte principal da corrente de fuga. Em US 6.259.085, por exemplo, a corrente superficial é a fonte principal de fuga, embora o dispositivo seja operado em fase de pinagem múltipla (MPP) durante a fase de integração de carga. A modalidade de MPP é usada para eliminar a corrente superficial durante o período da integração da carga, mas não pode ser usada durante o período do transporte da carga. A estrutura em US 6.259.085 mostra bem a natureza do problema da corrente de fuga; tem um substrato grosso de silício com depleção plena, à operação de MPP é usada durante o período de integração da carga, e a corrente superficial é ainda a fonte principal de fuga.

[013] Uma maneira bem conhecida para diminuir a corrente de fuga é a refrigeração eficiente. Entretanto, isto requer arranjos de gás líquido para refrigeração complicada ou a refrigeração por elementos Peltier de alta potência sendo que nenhum deles é de uso particularmente atrativo, por exemplo, nos dispositivos portáteis, onde ambas a complexidade e o consumo de potência devem ser mantidos a um mínimo.

[014] A deficiência da estrutura em US 5.712.498 advêm do fato que não há nenhuma estrutura antiblooming e que as cargas geradas na superfície não são separadas das cargas do sinal. A estrutura das versões posteriores deste dispositivo de DEPFET sugere, entretanto, que as cargas geradas na superfície podem ser reunidas por um contato desobstruído (marcado como L na patente). Mesmo que a estrutura interna da porta tenha limitações severas. Primeiramente, uma homogeneidade extremamente boa da dopagem da porta interna (marcado como 1 na patente) é requerida. Em segundo lugar, o uso de MOSFET conjuntamente com a estrutura interna da porta é problemático, já que o canal do MOSFET tem que estar sempre aberto para impedir que as cargas de superfície se misturem com as cargas do sinal posicionadas na estrutura interna da porta. Terceiro, o uso de um transistor bipolar conjuntamente com a estrutura de porta interna não é possível.

Sumário da invenção [015] Um objetivo da presente invenção é fornecer uma estrutura do detector semicondutor de radiação, em que os problemas explicados da técnica anterior são evitados. Um objetivo adicional da invenção é fornecer um detector semicondutor de radiação com precisão melhorada e suscetibilidade à corrente de fuga reduzida na medição. Um outro objetivo da invenção é apresentar uma estrutura aperfeiçoada de um detector semicondutor de radiação para medir a carga do sinal de forma não destrutiva. Contudo, um outro objeto da presente invenção é fornecer uma estrutura antiblooming vertical que permite um fator de suficiência de 100%.

[016] Os objetivos da invenção são conseguidos por uma estrutura interna modificada de porta (MIG), que permita isolar os portadores de corrente de superfície da carga do sinal.

[017] Um detector semicondutor de radiação de acordo com a invenção é caracterizado pelas características citadas na porção caracterizante da reivindicação independente dirigida a um detector semicondutor de radiação.

[018] Um método para detectar a radiação de acordo com a invenção é caracterizado pelas características citadas na porção caracterizante da reivindicação independente dirigida a tal método.

[019] Um princípio importante por trás da presente invenção é isolar a carga do sinal das interfaces de depleção, o que ajuda a alcançar uma redução significativa na corrente de fuga. Em estruturas do detector da técnica anterior, à exceção de talvez os detectores recentes de DEPFET, a carga do sinal não é isolada das regiões de depleção da interface, o que significa que as cargas geradas em algumas áreas de uma interface com depleção adicionar-se-ão à carga do sinal. Se a carga do sinal pudesse ser totalmente isolada das interfaces de depleção e lidas de forma não destrutiva, poderia se usar mais facilmente materiais diferentes ao silício para detectores de radiação e a precisão da medida melhoraria devido à corrente de fuga menor.

[020] Na invenção, tal isolação é conseguida com uma estrutura por camadas, na qual as camadas do semicondutor ou as regiões de tipos diferentes de condutividade alternam em uma maneira apropriada.

[021] As vantagens que resultam da isolação de corrente de superfície podem ser obtidas a partir de qualquer um dos diferentes pontos de vista. Uma possibilidade é tentar equacionar uma precisão melhorada com uma temperatura mais alta de operação do dispositivo, diminuindo a necessidade de arrefecimento. Isto seria de grande importância se fosse possível mudar de um esfriamento por gás o líquido para um esfriamento por elemento Peltier, simplificando a estrutura do detector. Em germânio, silício e em outros materiais de banda de transição a absorção de fótons é baseada na interação de fônon abaixo de um determinado limite da energia. A probabilidade de absorção de fóton auxiliada por fônon é dependente da densidade de fônon, que é dependente da temperatura. Assim um aumento na temperatura de operação realça a eficiência de quantum dos detectores para bandas próximas de transição de energia de fótons, à semelhança de fótons infravermelhos próximos no silício. Um outro aspecto importante é que as interfaces são passíveis aos danos de radiação, aumentando a corrente superficial de uma interface com depleção e diminuindo assim a vida útil de detectores convencionais; isolando a carga do sinal da corrente superficial de acordo com a invenção ajuda a evitar esta desvantagem.

[022] As modalidades exemplificativas da invenção apresentadas neste pedido de patente não devem ser interpretadas como impondo limitações à aplicabilidade das reivindicações apensas. O verbo "compreender" é usado neste pedido de patente como uma limitação em sentido latto que não exclui a existência de características também não citadas. As características citadas nas reivindicações dependentes são passíveis de livres combinações entre si salvo expressa afirmação em contrário.

[023] As novas características que estão sendo consideradas como características da invenção são descritas doravante em detalhe nas reivindicações apensas. A invenção em si, no entanto, tanto quanto a sua construção e o método de operação, junto com objetos e vantagens adicionais, serão melhor compreendidas a partir da seguinte descrição das modalidades específicas quando lidas com remissão ás figuras.

Breve descrição das figuras [024] A fig. 1 mostra um princípio estrutural de acordo com uma modalidade da invenção, [025] a fig. 2 mostra potenciais do elétron em um detector usando buracos como carga do sinal, [026] a fig. 3 mostra o potencial eletrônico em forma tridimensional, [027] a fig. 4 mostra potenciais do elétron em um detector usando elétrons como carga do sinal, [028] a fig. 5 mostra um principio estrutural alternativo, [029] a fig. 6 mostra potenciais do elétron em um detector usando buracos como carga de sinal, [030] a fig. 7A mostra uma estrutura de vala, [031] a fig. 7B mostra uma estrutura de vala, [032] a fig. 7C mostra uma estrutura de vala, [033] a fig. 7D mostra uma estrutura de vala, [034] a fig. 7E mostra uma estrutura de vala, [035] a fig. 7F mostra uma estrutura de vala, [036] a fig. 7G mostra uma estrutura de vala, [037] a fig. 7H mostra uma estrutura de vala, [038] a fig. 71 mostra uma estrutura de vala, [039] a fig. 8A mostra uma borda do dispositivo MIG, [040] a fig. 8B mostra uma borda do dispositivo MIG, [041] a fig. 9A mostra uma borda do dispositivo MIG, [042] a fig. 9B mostra uma borda do dispositivo MIG, [043] a fig. 10A mostra uma borda do dispositivo MIG, [044] a fig. 10B mostra uma borda do dispositivo MIG, [045] a fig. 11A mostra uma borda do dispositivo MIG, [046] a fig. 11B mostra uma borda do dispositivo MIG, [047] a fig. 12 mostra uma borda do dispositivo MIG, [048] a fig. 13A mostra uma borda do dispositivo MIG, [049] a fig. 13B mostra uma borda do dispositivo MIG, [050] a fig. 14 mostra uma borda do dispositivo MIG, [051] a fig. 15 mostra um dispositivo MIG de pixel simples, [052] a fig. 16 mostra um dispositivo MIG de pixel simples, [053] a fig. 17 mostra um dispositivo MIG de pixel simples, [054] a fig. 18 mostra um dispositivo MIG de pixel simples, [055] a fig. 19 mostra um dispositivo MIG de pixel simples, [056] a fig. 20 mostra um dispositivo MIG de pixel simples, [057] a fig. 21 mostra um dispositivo MIG de pixel simples, [058] a fig. 22 mostra um dispositivo MIG de pixel duplo, [059] a fig. 23 mostra um dispositivo MIG de pixel duplo, [060] a fig. 24 mostra um dispositivo MIG de pixel duplo, [061] a fig. 25 mostra um dispositivo MIG de pixel triplo, [062] a fig. 26 mostra o principio de detecção de carga de sinal, [063] a fig. 27A mostra o principio de operação de uma estrutura JFET IG, [064] a fig. 27B mostra o principio de operação da estrutura JFET MIG, [065] a fig. 27C mostra o principio de operação de uma outra estrutura JFET MIG, [066] a fig. 28A mostra um outro principio de operação de uma estrutura JFET, [067] a fig. 28B mostra um outro principio de operação de uma estrutura JFET MIG, [068] a fig. 29A mostra o principio de operação de uma estrutura MOSFET IG, [069] a fig. 29B mostra o principio de operação da estrutura MOSFET MIG, [070] a fig. 30 mostra um dispositivo MIG de pixel simples, [071] a fig. 31 mostra um dispositivo MIG de pixel simples, [072] a fig. 32 mostra um dispositivo MIG de pixel simples, [073] a fig. 33 mostra um dispositivo MIG de pixel simples, [074] a fig.34 mostra um dispositivo MIG de emissor flutuante, [075] a fig. 35A mostra um detector APS simples, [076] a fig. 35B mostra um dispositivo APS com implantes de bloqueio de canal, [077] a fig. 35C mostra um outro dispositivo APS com implantes de bloqueio de canal, [078] a fig. 35D mostra um CTD, [079] a fig. 35E mostra um outro CTD.

Estrutura por camadas e potenciais eletrônicos [080] A fig. 1 é uma vista em corte transversal de um detector semicondutor com iluminação traseira. A superfície traseira, através da qual a radiação entra no detector, está para baixo no desenho. Da superfície traseira para a superfície dianteira pode, primeiramente, haver um revestimento opcional antirreflexo, de cintilação ou condutor 101, sendo o material condutor, por exemplo, um metal ou um óxido condutor transparente (TCO) . No topo do revestimento está disposta uma camada condutora fina 102, destinada a transportar a corrente secundária para fora da área ativa. Esta camada é formada, por exemplo, por dopagem da superfície traseira da camada de corpo 103 com um dopante de um primeiro tipo de condutividade. Alternativas para as duas camadas 101 e 102 foram apresentadas em um pedido de patente copendente FI20040966 cujo conteúdo é aqui incorporado por referência.

[081] A camada de corpo 103 do detector é feita preferivelmente a partir de um material semicondutor altamente resistivo (concentração de dopagem em torno de 1012/cm3 ou menos) de um primeiro ou segundo tipo de condutividade. Os tipos de condutividade aqui se referem a semicondutores dopados positiva e negativamente com um excesso de cargas positivas e negativas respectivamente. Em sentido para a superfície dianteira tem-se uma camada 104 de um segundo tipo de condutividade, por exemplo, por implantação ou por crescimento epitaxial. A camada 104 é doravante chamada de camada interna de porta modificada (MIG) . Na frente da camada 104 do MIG tem-se novamente uma camada 105 de um primeiro tipo de condutividade, designada aqui como a camada de barreira. A camada de barreira 105 pode ser produzida usando-se, por exemplo, uma implantação ou por crescimento epitaxial. No topo da camada 105 pode haver camadas de isolação protetoras e condutoras formando trilhas, portas, capacitores e etc.

[082] Conformada, preferivelmente como implantações de pixel 111, 112, 113, 114, com o segundo tipo de condutividade é feita na camada de barreira 105 e doravante chamada de dopagens de pixel. A área entre as dopagens de pixel, entre 111 e 112, funciona como bloqueio de canal isolando os pixels e reunindo a carga secundária gerada, por exemplo, em interfaces de depleção. Entre os pixels podem ser dispostos de forma opcional implantes polarizados de bloqueio de canal 115, 116, 117, 118, 119 do primeiro tipo de condutividade.

[083] A diferença de potencial elétrico entre uma dopagem de pixel 111 e uma camada polarizada de lado traseiro (camada 102 na estrutura de 1) é aqui referida como à tensão Vp de pixel. A localização exata no meio entre as dopagens 111 e 112 são aqui referidas como a localização de bloqueio de canal. A diferença de potencial elétrico entre uma localização de bloqueio de canal e a camada polarizada da porção traseira é chamada como a tensão de bloqueio de canal Ves. O diferencial de potencial elétrico entre a dopagem de um pixel do lado dianteiro e a camada polarizada 102 da porção traseira durante uma fase de condução (clearing) de carga do sinal é a tensão de condução Vc. A ordem de grandeza destas tensões é VC > VP > VCs.

[084] A fim de explicar a operação do detector semicondutor da fig. 1 assume-se primeiramente que a camada 102 da porção traseira é tipo n+, que a camada MIG 104 é tipo p, que a camada de barreira 105 é tipo n e que o dopagem de pixel 111 é tipo p. A camada de corpo 103 é feita de material semicondutor resistivo elevado tipo n ou tipo p, isto é, o substrato é quase intrínseco (i) . A fig. 2 mostra funções potenciais para os elétrons medidos ao longo de linhas perpendiculares frente-traseira através da estrutura em forma de camada da fig.l nos locais de dopagem de pixel e bloqueio de canal quando tensões diferentes são aplicadas entre elas e a camada polarizada 102 da porção traseira. As seções planas na função potencial correspondem às áreas neutras e as seções inclinadas correspondem às áreas de depleção. A curva 201 representa o caso quando a diferença de potencial é Vc entre a dopagem de pixel e a camada polarizada da porção traseira. O valor negativo relativamente grande da tensão Vc significa que o potencial eletrônico é uma linha de queda de um máximo na dopagem de pixel a um mínimo na camada polarizada 102 da porção traseira. Como é mostrado no pedido copendente FI 20040966 citado, a camada condutora e a camada opcional 101 podem ser substituídas por uma estrutura que utiliza uma camada de acumulação na camada de corpo 103 muito próxima da estrutura referida, indicado como 211 na fig. 2. A respeito dos detalhes da formação de uma camada da acumulação e de sua utilização referir-se-á ao pedido copendente FI20040966.

[085] A curva 202 representa o potencial eletrônico ao longo de uma linha que se estende perpendicular a partir de uma dopagem de pixel tendo uma tensão Vp de pixel entre ela e a camada polarizada da porção traseira. O valor absoluto de Vp é menor do que aquele de Vc, o que significa que a função de potencial 202 para os elétrons não é uma linha de queda continua e que sim faz determinadas inflexões em seu trajeto. Um máximo localizado 215 é encontrado na dopagem de pixel, a partir do qual a função potencial cai a um mínimo localizado 216 na camada de barreira 105 (a localização 216 é um ponto tridimensional em forma de sela para ambos o sinal e as cargas secundárias). Deste este mínimo localizado, a função potencial cresce ascendentemente para um máximo localizado em 212 na camada MIG 104 (a localização 212 é um mínimo potencial tridimensional de a energia para cargas do sinal) , a partir do qual cai então de forma monótona a um mínimo na superfície da camada condutora 102. A respectiva função de potencial eletrônico ao longo de uma linha perpendicular que se estende de uma localização de bloqueio de canal à camada polarizada da porção traseira é representada pela curva 203, correspondendo a uma diferença de tensão de VCs entre uma localização de bloqueio de canal polarizada ou flutuante e a camada polarizada da porção traseira. Neste caso, a função potencial tem um minimo de potencial 215 no local de bloqueio de canal e um máximo de potencial 214 na camada MIG 104, a partir do qual a função cai de forma monótona para um local minimo na superfície da camada condutora 102.

[086] Fazendo uma varredura do potencial eletrônico lateralmente através do detector, atingindo pixels alternados (dopagens de pixel acoplados a Vp) e "bloqueios de canal" (pontos de bloqueio de canal acopladas a VCs) se obtém um diagrama de superfície ondulada do tipo representado na fig. 3. As linhas de potencial que correspondem exatamente às curvas 202 e 203 na fig.2 são mostradas com linhas mais grossas na fig. 3. É fácil ver que nesse ponto um máximo potencial local tridimensional 212 dentro da camada MIG que corresponde a cada pixel, estes máximos sendo separados lateralmente entre si por zonas de potenciais mais baixos que coincidem com os bloqueios de canal. Correspondentemente, ocorre um mínimo de potencial local tridimensional 213 dentro da camada de barreira 105 que corresponde a cada bloqueio de canal, estes mínimos estando separados lateralmente entre si por zonas de potencial mais elevado que coincidem com os pixels. O ponto de sela tridimensional para ambas as cargas de sinal e cargas secundárias 216 correspondentes a cada pixel é mostrado também na figura 3. Como os potenciais eletrônicos são aqui discutidos, todos os elétrons móveis dentro do material semicondutor preferiríam mover-se para os locais de mínimo potencial de elétron, enquanto que os buracos preferiríam se mover para os máximos de potencial eletrônico, que para os buracos são naturalmente pontos de potencial mínimo.

[087] Quando um fóton ou uma partícula carregada atinge detector, é criado um número de elétrons e buracos na camada de corpo 103. Considerando a situação na fig. 2, o campo elétrico dirige os elétrons para a superfície traseira do detector, onde são capturados pela camada condutora do lado traseiro e pela provável camada de acumulação. Os buracos são dirigidos para a camada MIG, aonde começam a ser prendidos aos pontos 212 que coincidem com os pixels, devido ao comportamento do potencial eletrônico descrito acima. Elétrons gerados na superfície que surgem na superfície dianteira do detector, por outro lado, são guiados pelo canal 216 e ficam presos aos mínimos de potencial eletrônico 213 na camada de barreira que corresponde aos pontos de bloqueio de canal. Os buracos gerados na superfície são capturados nos pontos de máximo potencial eletrônico 215 na dopagem de pixel respectiva. Estes buracos gerados na superfície se adicionam normalmente à carga do sinal. Agora o comportamento do potencial dentro do detector isola os buracos gerados na superfície da carga do sinal, que neste caso, são os buracos induzidos por radiação presos à camada MIG.

[088] A fig. 4 mostra os potenciais eletrônicos em um detector onde a camada 102 é do tipo p+, a camada 104 é do tipo n, a camada 105 é do tipo p e o implante de pixel 111 é do tipo η. A camada de corpo é intrínseca (i) . O comportamento de cargas induzidas por radiação é muito similar àquele observado no detector apresentado na fig. 2, com os papéis dos elétrons e dos buracos agora invertidos. São os elétrons que constituem a carga do sinal e que são capturados aos sumidouros de potencial eletrônico que coincidem com os pixels, e os elétrons da corrente de superfície são mantidos contra interferência com a medição ao capturá-los na dopagem de pixel. Os buracos da corrente de superfície são capturados na camada de barreira em posições de bloqueio de canal. Na fig. 4, a curva 401 é uma curva de potencial eletrônico de crescimento continuo entre dopagens de pixel e a superfície traseira durante a condução (clearing) da carga do sinal com Vc, a curva 402 mostra o potencial eletrônico em uma localização de pixel (Vp) e a curva 403 mostra o potencial em uma localização de bloqueio do canal (VCs). Elétrons induzidos por radiação são capturados na localização 412, enquanto que os buracos da corrente de superfície são capturados em 413 e os elétrons gerados na superfície são reunidos em 415, isto é nas dopagens de pixel. As referencias 411, 414 e 416 correspondem às posições 211, 214 e 216 na fig. 2.

[089] A figura 5 mostra uma estrutura alternativa, na qual o segundo tipo de camada de pixel 506 é feito por implantação em uma peça para produção ou por crescimento de uma camada epitaxial no topo da camada de barreira 105. As dopagens de pixel 511 e 512 são separadas por implantações de bloqueios de canal com polarização inversa preferivelmente 516 do primeiro tipo de condutividade, localizados dentro da camada de pixel 506. Um implante de bloqueio de canal 516, doravante chamado de localização de bloqueio de canal, pode ser o mesmo como o da porta de JFET ou do implante bipolar do emissor, que serão descritos mais adiante. A localização do bloqueio 516 do canal está, neste caso, polarizada preferivelmente de forma inversa ah dopagem de pixel. Se o implante 516 se estender através da camada 506, a situação é essencialmente a mesma que na figura 1.

[090] As funções de potencial eletrônico da estrutura na figura 5 são apresentadas na figura 6. As funções de potencial 201 e 202 variando perpendicularmente a partir das dopagens de pixel 511 e 512 até a camada traseira polarizada 102 representam os casos quando as dopagens de pixel estão a potenciais de condução e de pixel, respectivamente. Estes são idênticos ah figura 2. Nas posições de bloqueio de canal a função potencial correspondente 603 é diferente da 203 apresentados na figura 2. Na função 603 há um máximo adicional 617 e um minimo adicional 618. 0 ponto de potencial eletrônico minimo 213 captura os elétrons gerados na superfície e o canal 617 guia os buracos gerados na superfície ao local de máximo potencial eletrônico 215 na dopagem de pixel. A função de potencial 604 representa uma configuração possível de tensão de bloqueio de canal em que os elétrons no potencial mínimo 618 são drenados. Isto pode ser feito, por exemplo, baixando o valor absoluto da diferença de tensão entre o lado dianteiro e o lado traseiro do chip. A tensão de bloqueio de canal pode também ser ajustada para se corresponder de forma continua à função de potencial 604.

[091] As bordas dos dispositivos nas figuras 1 e 5 não são mostradas. As bordas devem ser neutras a fim evitar a geração excessiva de corrente de fuga nas bordas do chip semicondutor que aumentaria significativamente o consumo de potência do dispositivo. A região neutra da borda pode ser conseguida se usando estruturas de proteção. Alguns exemplos de tais estruturas baseadas em valas são apresentadas nas figuras 7A -7H. Somente é mostrada a camada MIG 104 das estruturas de camada apresentadas nas figuras 1 e 5. Uma estrutura simples de vala preenchida com material isolante 701 é mostrada na figura 7A. Na figura 7Β, uma dopagem 710 do primeiro tipo de condutividade é criada na base da vala usando um implante perpendicular antes de encher a vala com material isolante. Após esta etapa um de implantação podería também ser usado um implante perpendicular ou com inclinação pronunciada, isto é, um implante de alta energia do segundo tipo formando um segundo tipo de dopagem abaixo do primeiro tipo de dopagem 710 (isto se aplica também às estruturas das figuras 7C e 7D) . Uma gravura em água forte molhada pode ser executada antes de se encher a vala.

[092] Uma estrutura mais complicada de vala é apresentada na figura 7C, onde as paredes da vala são dopadas primeiramente com um segundo tipo de dopante usando um implante inclinado. Segue-se a gravura e em conseqüência destas dopagens de segundo tipo 711 e 712 são criadas nas paredes da vala. Após o processo da gravura, um primeiro tipo de dopagem 710 é criado na base da vala usando um implante perpendicular. Antes de preencher a vala com o material isolante 701, uma etapa de gravura eletroquímica pode ser executada. Todas estas etapas de processo podem ser executadas com uma única etapa de máscara. Os implantes opcionais do primeiro tipo 721 e 722 podem ser feitos antes ou depois da vala ser feita. Deve-se notar que se a vala cercar uma área, as camadas MIG dentro de e fora da vala podem estar a um potencial diferente. Os implantes 721 e 722 podem ser usados para conectar porções separadas da camada MIG aos potenciais diferentes. Se a vala for um ponto como um buraco os implantes 721 e 722 podem também ser feitos usando um implante inclinado.

[093] Uma estrutura ainda mais complicada de vala é apresentada na figura 7D. As etapas de processo desta estrutura podem ser similares às etapas de processo da estrutura na figura 7C até o processo de enchimento da vala. Na figura 7D uma camada de isolador é depositada nas paredes da vala. Após isto, a camada do isolador na base da vala é lavada eletroquimicamente criando as camadas de isolação 702 e 703. A dopagem 710 pode também ser criada neste estágio. A vala é enchida finalmente por exemplo com material semicondutor poli cristalino 704 de um primeiro tipo permitindo a polarização da dopagem 710. A vala pode também ser enchida com um metal ou um isolador apropriado. Todas as etapas de processo descritas podem ser feitas usando-se somente uma máscara.

[094] Um outro tipo de estrutura de vala é apresentado na figura 7E. Esta estrutura é criada por tratamento eletroquímico de uma vala, implantando as paredes da vala com um segundo tipo de dopante formando a dopagem 713. A vala é enchida em seguida com um material isolador 701, ou com metal ou com material poli cristalino. A estrutura de vala na figura 7F é essencialmente a mesmo da figura 7E. Esta estrutura é criada por tratamento eletroquímico de uma vala e enchendo-a com material poli cristalino 705 do segundo tipo. As áreas 714, 723 e 724 da estrutura de vala na figura 7G correspondem às áreas 713, 721 e 722 da estrutura de vala na figura 7E com a exceção de que são dopadas opostamente. Pode-se também executar uma implantação profunda de segundo tipo antes ou depois da implantação de 714. As áreas 704, 723 e 724 da estrutura de vala na figura 7H correspondem às áreas 705, 721 e 723 da estrutura de vala na figura 7F exceto pela dopagem oposta. Antes de encher a estrutura de vala da figura 7H as paredes da vala podem ser implantadas com um implante de segundo ou primeiro tipo. As paredes da vala podem também ser implantadas com um implante raso de primeiro tipo e um do segundo tipo profundo. As áreas dopadas 715 e 716 do primeiro tipo nas paredes da estrutura de vala apresentadas na fig. 71 podem ser feitas e forma similar às áreas dopadas 711 e 712 do segundo tipo da fig. 7C. As estruturas 715 e 716 podem ser usadas para contatar a camada de barreira 105. A base da vala pode também ser dopada com um primeiro ou segundo tipo de implante, após o que um tipo oposto de implante profundo pode ser executado.

[095] A borda do dispositivo mostrado na figura 1 e tendo uma camada de corpo 103 do primeiro tipo de dopagem é apresentada na figura 8A. As estruturas 821, 822, 823 e 824 da vala (trenche) podem ser, por exemplo, do tipo apresentado nas figuras 7A, 7B, 7C e 7D. Preferivelmente, uma estrutura de guarda a modo de anel 811 de um segundo tipo de dopagem cerca a área ativa que contem os pixels 812, 813 e a estrutura de bloqueio de canal 816,817,818. Preferivelmente, uma estrutura de guarda aneliforme 815 do primeiro tipo de dopagem envolve a outra estrutura 811. A camada de barreira na borda do chip pode ser contatada através do primeiro tipo opcional de dopagem 810. Podem também haver contatos para as áreas entre as estruturas de vala.

[096] O dispositivo na figura 8A tem o seguinte principio de operação. A polarização da camada de corpo 103 e da camada 102 da porção traseira pode ser feita a partir da porção traseira fazendo um contato para a camada 102 da porção traseira. A estrutura de vala apresentada na figura 7D pode alternativamente ser usada para polarizar a camada de corpo e a camada da porção traseira do lado dianteiro do dispositivo. A dopagem opcional 810 é conectada também ao mesmo potencial que a camada da porção traseira e a camada de corpo. Uma polarização inversa Vp é aplicada entre as dopagens de primeiro tipo 811, 812, 813 e a camada 102 da porção traseira. Uma polarização inversa de grandeza VP -VSc é possivelmente aplicada entre as dopagens opcionais de primeiro tipo 815, 816, 817, 818 e as de segundo tipo 811, 812, 813. As áreas 811 e 815 podem conter uma eletrônica de seleção e leitura e podem ser conectadas a algum outro potencial diferente ao VP ou Vsc· Em conseqüência do acima, a polarização do dispositivo gera uma região de depleção dentro do dispositivo. Devido às estruturas de vala 821 -824, a região de depleção próxima 840 não alcança a borda do chip. As áreas entre as estruturas de vala 821 - 822 são preferivelmente flutuantes mas podem também ser polarizadas.

[097] A carga do sinal na camada MIG pode ser esvaziada aumentando-se a polarização inversa entre a dopagem de pixel e a camada da porção traseira. Isto pode ser feito alterando-se a tensão de dopagem de pixel ou alterando a tensão da camada 102 da porção traseira. A vantagem do método anterior é que a carga do sinal nos pixels pode ser liberada individualmente se necessário. Os valores elevados de campo na superfície dianteira são, entretanto, uma conseqüência do processo individual de passagem (clearing). Neste último método a carga de sinal de todos os pixels é liberada ao mesmo tempo. Entretanto, nesse último método o potencial dos pixels pode ser constante todas às vezes (por exemplo ao potencial de terra) que facilita da eletrônica da seleção e leitura. Em um ou outro método, a tensão de bloqueio do canal pode ser alterada para realçar a liberação (clearing) da carga do sinal.

[098] A camada de corpo 103 do dispositivo na figura 8B é do segundo tipo de dopagem. Neste caso um processamento por ambos os lados é necessário a fim de produzir as estruturas de guarda 831 - 834 do primeiro tipo de condutividade na porção traseira do dispositivo. Um outro problema do dispositivo é que o contato à camada da porção traseira tem que ser fio colado. Somente uma estrutura de vala 825 é requerida no lado dianteiro do dispositivo. Esta estrutura de vala pode ser, por exemplo, qualquer uma apresentada nas figuras 7E ou 7F. A camada de corpo pode ser polarizada usando estas estruturas de vala. A dopagem 819 do primeiro tipo é preferivelmente um anel que cerca a área ativa que contem os pixels. A dopagem 814 do segundo tipo pode ser um anel que cerca a área ativa ou um pixel. A eletrônica da seleção e leitura pode estar posicionada por fora, por exemplo, sobre o lado esquerdo da vala, e nas dopagens 814 e 819. Adicionalmente, por exemplo, estruturas da vala pontuais podem também ser feitas no lado esquerdo da vala 825 para melhorar o contato à camada de corpo.

[099] Durante operação, a porção neutra da camada de corpo 103 e a dopagem 810 opcional estão ao mesmo potencial. Uma alta tensão de polarização inversa é conectada entre a camada 102 da porção traseira e a porção neutra da camada de corpo 103. As estruturas de guarda 831-834 preferivelmente são flutuantes, mas podem também ser polarizadas. Uma tensão de polarização inversa é conectada entre a dopagem 819 do primeiro tipo e a camada neutra de corpo 103. Esta tensão de polarização inversa deve ser alta o bastante para perfurar o canal na camada MIG 104. A diferença da tensão entre a camada traseira 102 e todas as dopagens de segundo tipo 812 - 814 é preferivelmente VP durante a integração da carga do sinal. As dopagens do primeiro tipo 816, 817, 819 são todas conectadas preferivelmente à tensão VCs de bloqueio do canal e existe uma polarização inversa entre eles e as dopagens do segundo tipo 812 - 814. A carga do sinal é liberada na mesma maneira que é feito no dispositivo mostrado na figura 8A.

[0100] A borda do dispositivo apresentada na figura 5 e tendo uma camada de corpo do primeiro tipo de dopagem é apresentada na figura 9A. As estruturas de vala neste dispositivo podem ser as mesmas do que no dispositivo da figura 8A. 0 segundo tipo de dopagem 910 é um contato para com a camada de pixel do segundo tipo 506. Esta dopagem tem que estar ao mesmo potencial que a camada de corpo neutra 103. O principio de operação do dispositivo na figura 9A já foi explicado na figura 6 e é muito similar ao principio de operação do dispositivo na figura 8A. A borda do dispositivo apresentado na figura 5 e tendo uma camada de corpo do segundo tipo são apresentados na figura 9B. As estruturas de vala neste dispositivo podem ser as mesmas do que aquelas no dispositivo da fig. 8B ou pode ser usada aquela apresentada na figura 71. O principio de operação é também muito similar àquele do dispositivo da figura 8B.

[0101] Os dispositivos apresentados nas figuras 10A e 10B correspondem aos dispositivos das figuras 9A e 9B. Nos dois primeiros dispositivos mencionados a camada 105 é feita, por exemplo, usando um implante estruturado que requer uma etapa da máscara. As valas na figura 10A podem ser, por exemplo, do tipo apresentado nas figuras 7A, 7B e 7D. As estruturas 711,712, 721 e 722 entretanto, neste caso, não são necessárias. Na figura 10A a dopagem opcional 1010 é mantida ao mesmo potencial que a camada neutra de corpo. A dopagem opcional 1030 na figura 10B está automaticamente, ao mesmo potencial do que o corpo neutro. A dopagem opcional 1020 pode ser flutuante ou polarizada. Se a dopagem opcional 1020 atua como um anel de guarda polarizado, a dopagem 811 também pode ser um pixel. Neste caso a dopagem 1020 podería estar ao potencial VP de pixel e poderia conter uma eletrônica de seleção e leitura. O princípio de operação do dispositivo é o mesmo àquele do dispositivo apresentado na figura 8A. No dispositivo da figura 10B não é necessária nenhuma estrutura de vala. Os princípios da operação dos dispositivos das figuras 8B e 10B são os mesmos.

[0102] Os dispositivos das figuras 11A e 11 B correspondem às figuras 9A e 9B. Nos dois primeiros dispositivos mencionados a camada 506 é feita, por exemplo, usando-se um implante estruturado. As estruturas da vala na figura 11A pode ser as mesmas daquelas das figuras 8A e 9A e a estrutura de vala em 11B pode ser a mesma que nas figuras 8B e 9B. A dopagem opcional 1115 pode ser flutuante ou polarizada, por exemplo, ao potencial de bloqueio do canal. A dopagem 1115 podem também conter uma eletrônica de seleção e leitura.

[0103] As camadas 104 e 105 do dispositivo apresentadas na figura 12 são produzidas, usando-se, por exemplo, dois implantes estruturados. As estruturas de guarda 1231 - 1234 são, preferivelmente, flutuantes mas podem ser polarizadas. Neste caso, não é necessária nenhuma estrutura de vala. Nas figuras 13A e 13B as camadas 105 e 506 são produzidas, por exemplo, usando-se dois implantes estruturados. As camadas 104, 105 e 506 do dispositivo apresentado na figura 14 são produzidas, por exemplo, usando três implantes estruturados. Os princípios de operação dos dispositivos nas figuras 8A, 9A, 10A, 11A, 12, 13A e 14 são muito similares. Isto também é verdadeiro para os dispositivos nas figuras 8B, 9B, 10B, 11 B e 13B.

[0104] As cargas secundárias criadas na camada de corpo 103 são reunidas pela camada 102 polarizada da porção traseira dentro da qual, são conduzidas para a borda do dispositivo. A dopagem 1210 e a estrutura de vala 821 podem ser usadas como um contato da porção dianteira para a camada de corpo 103 e para a camada polarizada 102 da porção traseira nos dispositivos apresentados nas figuras 9A, 10A, 11 A, 12, 13A e 14. Este contato reúne as cargas secundárias acima mencionadas após terem se difundido através do corpo neutro. Nos dispositivos apresentados nas figuras 8B, 9B, 10B, 11B e 13B o contato para a camada polarizada 102 da porção traseira que reúne as cargas secundárias acima mencionadas é preferivelmente localizado em um ponto fora da área ativa. A camada de corpo neutra pode ser polarizada nestes últimos dispositivos pela dopagem 1030 ou pela estrutura 825 de vala.

[0105] A partir das figuras 10A a 14 pode-se deduzir que as estruturas nas figuras 1 e 5 podem ser produzidas por técnicas diferentes. Por exemplo, a camada 104 pode ser feita por crescimento epitaxial e a camada 105 pode ser um implante. Igualmente ambas as camadas 104 e 105 podem ser feitas por implantação ou epitaxialmente. Na estrutura apresentada na figura 5 a camada 506 pode também ser feita epitaxialmente ou por um implante. Todas os implantes acima mencionados podem ser implantes na peça em bruto ou implantes estruturados, isto é, implantes executados com um padrão tipo fotoresist. Em vez da implantação, a difusão poderia ser igualmente usada.

[0106] Pode também haver um ou mais anéis de guarda flutuantes ou polarizadas do segundo tipo de condutividade entre os pixels no dispositivo da figura 1. No dispositivo da figura 5 podem também haver um ou mais anéis de guarda polarizados do primeiro tipo de condutividade entre os pixels. Podem ser usados mesmo anéis de guarda MOS flutuantes ou polarizados.

[0107] A polarização apropriada dos dispositivos que correspondem às figuras 1 e 5 é essencial à operação correta do detector. É requerido que a camada de corpo 103 esteja com depleção plena sob a área ativa e que seja neutra na borda do dispositivo. Por exemplo, se a tensão na superfície dianteira do detector for diminuída ainda mais em relação à VCs nos dispositivos onde a camada de corpo é do primeiro tipo de dopagem em algum ponto a polarização inversa da interface pn entre as camadas MIG e do corpo torna se muito baixa o que significa que a camada de corpo não estaria mais com depleção plena. Isto seria representado graficamente por uma curva abaixo da curva 203 na figura 2, com uma seção plana que aparece em sua extremidade direita. Deve haver também uma quantidade apropriada das estruturas de guarda, de outra maneira, a região de depleção pode alcançar a borda do dispositivo.

Detecção da carga do sinal [0108] A fim de tornar a compreensão mais fácil dos princípios de detecção de sinal em um detector semicondutor de acordo com uma modalidade da invenção, é vantajoso primeiramente considerar determinadas maneiras possíveis de implementar um transistor de efeito de campo, preferivelmente um MOSFET ou um JFET, ou um transistor bipolar no topo de um dopagem de pixel.

[0109] A porção superior da figura 15 apresenta uma vista plana de um MOSFET básico, que na porção mais inferior da figura 15 é apresentado em corte transversal ao longo de uma linha marcada na parte superior. O desenho mostra uma dopagem de fonte 1501 e um dopagem de dreno 1502, que corresponde ao segundo tipo de dopagem de pixel 111 da figura 1. A dopagem de bloqueio de canal opcional flutuante ou polarizada de um primeiro tipo 115 na figura 1 corresponde ao primeiro tipo de dopagem 1505. A porta MOSFET é 1503 e é posicionada no topo de uma camada isolante 1506. Sob a porta há um alargamento local opcional 1504 da camada MIG 19 do segundo tipo de dopagem. Mostrado também na figura 15 existe uma placa (bucking) 1510 na dopagem de pixel. Pode-se também alterar a dopagem na camada de barreira 105 abaixo da porta usando-se, por exemplo, um implante estruturado.

[0110] A figura 16 mostra um JFET circular onde o primeiro tipo de dopagem de porta 1603 esta entre a fonte 1601 e o dreno 1602 que são do segundo tipo de dopagem e que corresponde ah dopagem de pixel. Deve-se anotar que os lugares da fonte e do dreno podem ser intercambiáveis. O alargamento local opcional 1504 da dopagem da camada MIG está preferivelmente sob somente uma porção da porta circular do JFET. Na fig. 17 se amostra um JFET quadrangular onde a dopagem 1505 atua como uma porta. Mostrado também na fig. 17 uma placa adicional 1710 da dopagem de pixel. A figura 18 mostra uma variação da estrutura JFET onde a dopagem da porta é substituída com uma estrutura MOS 1803, 1506. Uma placa adicional 1810 da dopagem de pixel é mostrado na figura 18. A figura 19 mostra ainda uma outra estrutura de transistor possível, especificamente um transistor bipolar, tendo um primeiro tipo de dopagem de emissor 1902 e um segundo tipo de base 1901 que corresponde ah dopagem de pixel.

[0111] As estruturas de pixel apresentadas nas figuras 15-19 são baseados no dispositivo apresentado na figura 1. As estruturas de pixel das figuras 20 e 21 são dadas como exemplo de estruturas de pixel baseadas no dispositivo apresentado na figura 5. A estrutura na figura 20 corresponde à estrutura circular JFET na figura 16. A única diferença é que ao invés de uma dopagem de pixel estruturada uma camada de dopagem de pixel 506 é usada. O primeiro tipo de dopagem 2005 atua como o bloqueio do canal. As dopagens 2005 podem também ser substituídas pelo primeiro tipo de dopagem 2007 que atua como uma estrutura de bloqueio de canal flutuante. A estrutura na figura 21 corresponde à estrutura bipolar apresentada na figura 19.

[0112] Uma estrutura de pixel composta por dois MOSFETs é apresentada na figura 22. O primeiro tipo de dopagem 2201 que age como uma fonte adicional, a porta adicional 2203 e o espessamento local opcional adicional da dopagem da camada MIG 2204 são apresentados na figura 22. As posições da fonte e do dreno podem também ser intercambiáveis. A carga do sinal na camada MIG pode ser transferida entre as posições sob as portas dos MOSFETs pela aplicação de polarizações apropriadas (ou pulsos de polarização) ás dopagens 1501, 1502 e 2201 e às portas 1503 e 2203. Tais estruturas duplas de transistores podem ser formadas por todos os dispositivos apresentados nas figuras 16 - 21. As estruturas nas figuras 23 e 24 são dadas como um exemplo. A estrutura dupla do transistor na figura 23 corresponde à estrutura bipolar apresentada na figura 19. O emissor 2302 e a base 2301 adicionais são apresentados na figura. Ao invés ou além ao segundo tipo opcional de dopagem 2303 poderiam ser usadas estruturas MOS 2303 entre os dois transistores. A carga de sinal pode ser transferida entre as posições abaixo dos emissores pela aplicação de polarizações apropriadas a 1901, 1902, 2301, 2302 e 2303.

Em vez de duas bases separadas 1901 e 2301 uma base comum poderia ser usada. Neste caso, entretanto, a carga do sinal pode ser transportada somente aplicando potenciais apropriados (de polarização inversa) aos emissores 1902 e 2302. A estrutura dupla do transistor na figura 24 corresponde à estrutura circular do JFET apresentada na figura 16. A fonte 2401, o dreno 2402 e a porta 2403 adicionais são mostrados na figura. A carga do sinal pode ser transferida entre as posições por baixo das portas aplicando-se polarizações apropriadas em 1601, 1602, 1603, 2401, 2402, 2403 e 2303. Em vez de duas fontes separadas 1601 e 2401 uma fonte comum poderia ser usada.

[0113] Uma estrutura de pixel composta por três MOSFETs é apresentada na figura 25. Esta estrutura tem três dopagens 2501, 2502 e 2503 que funcionam como fontes ou drenos e quatro portas 2504, 2505, 2506 e 2507. A carga do sinal pode ser transportada entre as posições sob as portas 2504, 2505 e 2506 aplicando-se polarizações apropriadas em 2501, 2502, 2503, 2504, 2505, 2506 e 2507. Quando a carga do sinal está sob uma porta, esta porta é preferivelmente a única porta que está aberta, isto é, a única sob a qual o canal está aberto. Os potenciais diferentes são conectados às duas dopagens de 2501, 2502 e 2503, que estão próximas à porta aberta acima mencionada. O espessamento local opcional da camada MIG de dopagem 1504 é posicionado, na figura 25, sob cada porta. Uma estrutura onde o espessamento local opcional da camada MIG de dopagem 1504 posicionada somente sob as portas 2504, 2505, 2506 e não por baixo da porta 2507 pode ser usada da mesma forma. A estrutura na figura 25 é baseada na estrutura do MOSFET apresentada na figura 15 em estruturas similares que podem ser formadas das estruturas apresentadas nas figuras 16 -17.

[0114] Referindo-se aos detectores dotados de buracos como cargas do sinal, a figura 26 mostra como os potenciais eletrônicos mudam em conseqüência das cargas do sinal que estão sendo reunidas ás dopagens de pixel e aos portadores de corrente de superfície do tipo oposto que estão sendo reunidos para posições de bloqueio do canal. Suponhamos que há um JFET associado com um pixel, com a sua porta conectada a uma tensão Vj, cujo valor absoluto é menor que o valor absoluto de VP. Os implantes físicos do JFET e o seu acoplamento a um pixel podem seguir por exemplo, os modelos esquemáticos descritos acima com referência a figura 16.

[0115] Na figura 26, as curvas 2601 e 2602 representam potenciais eletrônicos em posições de bloqueio de canal e de pixel respectivamente antes que a carga do sinal começa a acumular na camada MIG. As curvas 2 611 e 2612 mostram como estes potenciais do sinal mudam depois que um fóton tiver atingido o detector, em caso de uma estrutura de bloqueio de canal flutuante. Se a estrutura de bloqueio do canal é polarizada, 2612 seria obviamente a mesma que 2602. A carga do sinal (buracos) que se acumula na camada MIG 104 em dopagem de pixel abaixa o potencial eletrônico nesse ponto, fazendo com que uma seção neutra 2614 (isto é, plana) apareça na curva de potencial 2611. Isto é de importância, porque simultaneamente a seção plana da curva potencial da dopagem de pixel diminui no comprimento de XI a X2. O comprimento da referida seção plana representa as dimensões e de forma correspondente, a capacidade portadora de carga do canal do JFET. As dimensões do canal em diminuição podem ser medidas com precisão simplesmente observando-se os câmbios na corrente fluindo pelo JFET. No caso que o transistor bipolar na figura 19 seja usado em vez de um JFET, se usa uma polarização direta especifica do emissor e se mede o cambio na corrente do emissor devido ao estreitamento da base. É importante notar que o ruído nas correntes da base e do emissor está acoplado. O ruído pode ser reduzido consideravelmente ao se monitorarem correntes de base e de emissor simultaneamente o que permite, por exemplo, a subtração do valor absoluto da corrente da base do valor absoluto da corrente do emissor. Esta corrente resultante pode ser usada como a corrente do sinal.

[0116] Um mecanismo antiblooming vertical pode ser explicado com a ajuda da figura 26. A função potencial 2613 descreve uma situação onde a estrutura MIG sob dopagem de pixel está completamente cheia de cargas do sinal. Neste caso o valor absoluto do potencial na seção plana 2615 da estrutura MIG é maior do que o valor absoluto do máximo do local na camada MIG 2 616 por baixo da localização do bloqueio do canal. Assim a carga do sinal em excesso flui verticalmente para a dopagem de pixel em vez de ocorrer o blooming horizontal aos pixels vizinhos. Ou seja, um pixel cheio tem ainda uma barreira potencial na horizontal mas nenhuma no sentido vertical e não vice versa. Referindo-se ao diagrama potencial 2612, é fácil compreender que se a superfície for especialmente inestanque dando causa a quantidades substanciais de corrente de superfície e se um quer usar tempos de integração longos, tem que serem usadas estruturas polarizadas de bloqueio de canal. De outra forma, o máximo local 2616 continua a crescer e vai ocorrer o blooming horizontal.

[0117] A carga do sinal na camada MIG pode ser liberada aplicando-se o potencial Vc de liberação entre a dopagem de pixel e a camada polarizada 102 da porção traseira. Se o potencial da porção traseira for ajustado para executar a liberação (clearing) da carga do sinal, uma porção da carga nos bloqueios do canal flutuante fluirá para a camada polarizada da porção traseira e o diagrama potencial 2612 do elétron retorna para a localização original 2602. Pode se também liberar a carga do sinal aplicando-se uma diferença de potencial absoluta mais elevada entre os bloqueios do canal e os pixels. Uma outra opção é aplicar uma diferença de potencial absoluta mais elevada entre a dopagem do pixel e o bloqueio de canal e entre a dopagem de pixel e a camada polarizada do lado traseiro.

[0118] O principio de operação apresentado na figura 26 permite a detecção de quantidades pequenas de carga do sinal. É, no entanto não somente a única possibilidade. Se a quantidade de carga do sinal por o pixel for grande em média, um principio diferente de operação pode ser usado, por exemplo, o seguinte. As dopagens de pixel são conectadas primeiramente ao potencial liberado Vc que corresponde à condução (clearing) da carga do sinal. Logo, as dopagens de pixel são permitidas para flutuar em Vc o que corresponde à fase de integração da carga do sinal. Isto significa que as cargas do sinal são reunidas diretamente pela dopagem de pixel e não pela camada MIG. A carga do sinal é medida em seguida usando-se um FET cuja porta é conectada à dopagem de pixel. Tal principio de operação corresponde a um amplificador de difusão flutuante.

[0119] Nas estruturas previamente introduzidas do transistor que correspondem às figuras 15 - 19 de dopagem de pixel têm uma profundidade diferente nas estruturas das figuras 15, 17, 18 e 19 sob o MOSFET e o canal do JFET e sob o emissor do transistor bipolar. Com a ajuda das placas 1510, 1710 e 1810 pode-se confinar a carga do sinal sob o canal do MOSFET e do JFET e o emissor melhora a sensibilidade dos dispositivos. Uma outra maneira de se confinar a carga do sinal é conseguida alterando-se localmente a dopagem da camada MIG 104 usando-se, por exemplo, um espessamento local opcional 1504 da dopagem da camada MIG. Contudo uma outra maneira de confinar a carga do sinal é alterar localmente a dopagem da camada de barreira 105. Sem estas medidas, a carga do sinal encheria primeiramente a localização sob o dreno dos pixels MOSFET e JFET, onde a carga do sinal tem somente um efeito menor na largura do canal. No pixel bipolar a carga do sinal se espalharia sob toda a dopagem da base, tendo um efeito menor na largura da base.

[0120] Há dois tipos diferentes de placa de dopagem de pixel. Nas estruturas de pixel das figuras 17 e 19 a dopagem de pixel é mais profunda sob as áreas desejadas e em 15 e em 18 é mais rasa. A escolha de qual destas deva ser escolhida depende dos níveis e das espessuras de dopagem das camadas na estrutura de camadas e da polarização da estrutura. As placas mais profundas, entretanto, causam um efeito parasitário menor na relação de capacitância total da estrutura MIG. O efeito de propensão do emissor pode ser utilizado para conseguir o auto-alinhamento das placas mais profundas 1710 sob os implantes bipolares do emissor e da porta JFET nas figuras 17 e 19. A blindagem da porta nas estruturas MOS pode ser usada para criar um auto-alinhamento das placas mais profundas 1510 e 1810 nas figuras 15 e 18. Deve-se notar que os efeitos das placas podem ser realçados ou diminuídos pelos dois outros métodos acima mencionados.

[0121] O espessamento local opcional 1504 da camada MIG 104 do segundo tipo de dopagem pode ser feito, por exemplo, por um implante estruturado profundo. Se o primeiro tipo de camada de barreira 105 for produzido pelo crescimento epitaxial, o espessamento local opcional 1504 da dopagem da camada MIG pode também ser feito usando-se um implante estruturado antes de crescer a camada epitelial. Pode-se aumentar o segundo tipo de dopagem no local do espessamento local 1504 da camada MIG de dopagem usando-se um segundo tipo de implante estruturado. Pode-se também reduzir o segundo tipo de dopagem por fora da localização do espessamento local 1504 da dopagem da camada MIG usando- se um primeiro tipo de implante estruturado. Por exemplo, na figura 15, o espessamento local opcional 1504 da dopagem da camada MIG é posicionada diretamente sob a porta do MOSFET. Pode, entretanto, ser deslocado um pouco em direção à fonte.

[0122] Em vez do espessamento local 1504 da dopagem da camada MIG pode-se alterar a dopagem da camada de barreira 105 localmente. Uma alteração local da dopagem da camada de barreira 105 pode ser feita, por exemplo, diminuindo-se a dopagem da camada de barreira usando-se um segundo tipo de implante na localização de 1504. A alteração local da dopagem da camada de barreira 105 pode também ser feita aumentando-se a dopagem da camada de barreira usando-se um primeiro tipo de implante por fora da localização de 1504. Neste caso, a blindagem da porta da estrutura do MOS pode ser usada para finalidades do auto-alinhamento. O implante de ajuste de valor limiar pode também ser usado para alterar a dopagem da camada de barreira.

[0123] É importante notar que qualquer combinação dos três métodos acima mencionados pode ser usada. O mais promissório dos três métodos é, talvez, o espessamento da dopagem da camada MIG 1504.

[0124] Uma porção do excesso da carga do sinal que surge de uma estrutura MIG plena adicionará à corrente de dreno medida nas estruturas MOSFET e JFET que correspondem às figuras 15 - 18, se o mecanismo antiblooming for operante. Isto, entretanto, é somente um problema em caso que se tem um ponto muito brilhante na imagem. Se a corrente de fonte for medida, este fenômeno não deverá ser um problema.

[0125] 0 principio de operação da estrutura MIG pode ser ainda analisado com a ajuda dos diagramas de potencial eletrônico nas figuras 21 A, 27B e 27C. Todas as seções planas dos diagramas referem-se às áreas neutras e as áreas curvas às áreas de depleção. Na figura 27A é apresentada a estrutura tradicional de porta interna (IG) de um JFET, onde a IG é formada na camada 2704. A camada 2706 é o implante da porta JFET, a camada 2705 é o canal JFET, 2703 é o substrato e 2702 é a camada polarizada da porção traseira. A função potencial eletrônico 2711 representa a situação, quando nenhuma carga está na estrutura IG e 2712 quando tem carga no IG. A carga na estrutura IG alarga o canal JFET, isto é a porção plana da função potencial na camada 2705. De acordo com a figura 17A é evidente que a estrutura IG não permite uma operação bipolar, já que a corrente do emissor da área 2706 fluiria ao IG em 2704.

[0126] A estrutura MIG de acordo com o JFET na figura 16 é mostrada na figura 27B. A função potencial eletrônico 2713 apresenta o caso quando não se tem nenhuma carga na camada MIG 104 e a função 2714 apresenta o caso quando se tem carga na camada MIG. Esta carga estreita o canal JFET na camada 111. A estrutura MIG na figura 27B permite claramente uma operação bipolar desde que a corrente do emissor não flua para a estrutura MIG. Na figura 27C se mostra uma estrutura MIG diferente que tem um principio similar de operação ao da estrutura IG. Quando se adiciona carga à camada MIG 104 se muda a função potencial eletrônico de 2715 para 2716, isto é, a carga na camada MIG alarga o canal JFET na camada 2705. A operação bipolar é, entretanto, possível.

[0127] Como um sumário das diferenças nas figuras 27A, 27B e 27C, pode-se estabelecer, que na estrutura IG da figura 27A existe uma junção pn e camadas sem completa depleção entre a carga do sinal e o canal do FET. Nesta configuração a função potencial eletrônico é uma função monótona entre o mínimo da carga do sinal na estrutura de porta interna e o canal FET. Na estrutura MIG da 27B tem-se duas junções pn e uma camada com plena depleção entre a carga do sinal e o canal do FET ou a base do transistor bipolar. Esta configuração permite a formação de um ponto de sela (saddle point) para ambas as cargas secundárias e de sinal entre o mínimo da carga do sinal na estrutura MIG e o canal FET ou a base bipolar. Deve-se anotar que se a estrutura MIG não for bem projetada ou se o processo de produção não for ótimo uma área neutra pequena pode se formar em uma localização do ponto de sela. Uma área neutra desse tipo acrescenta ruído à medição e deve assim ser estritamente evitada. A área neutra, entretanto, não mudará o princípio de operação do dispositivo. A estrutura na figura 27C contém duas camadas dopadas opostas 506, 105 mais do que a estrutura IG na figura 27A.

[0128] Na estrutura da figura 27C se têm três junções pn e duas camadas de depleção entre a carga do sinal e o canal FET ou base do transistor bipolar. Esta configuração permite a formação de dois pontos de sela para ambas as cargas secundárias e do sinal entre o mínimo da carga do sinal na estrutura MIG e o canal FET ou a base bipolar. Se duas camadas opostas de dopagem adicionais forem adicionadas à estrutura na figura 27B, podem se formar três pontos da sela para cargas secundárias e de sinal entre o minimo da carga do sinal na estrutura MIG e o canal FET ou a base bipolar. A carga do sinal na estrutura MIG deste dispositivo estreitaria o canal do FET ou a base bipolar como é o caso na figura 27B. Tal estrutura não adicionaria nenhuma funcionalidade ao dispositivo na figura 27B ao custo de uma estrutura mais complexa e de uma capacitância parasitaria mais elevada para relação de capacitância total. Poder-se-ia naturalmente adicionar ainda mais camadas e junções intercaladas, mas como já indicado, isto não parece resultar em nenhum beneficio.

[0129] As diferenças na operação dos dispositivos mostrados nas figuras 27A e 27B são analisadas ainda nas figuras 28A e 28B onde se supõe que as dopagens IG e MIG têm flutuações e que os canais dos JFETs são fechados. As funções de potencial 2811 e 2812 apresentam o caso quando não se tem nenhuma carga de sinal na estrutura IG. A função potencial 2811 está posicionada em uma localização que tem a quantidade mais elevada de átomos dopantes da IG. A função potencial 2812, por outro lado, está posicionada em uma localização que tem a quantidade mais baixa de átomos dopantes de IG. Os elétrons da carga do sinal começam a acumular primeiramente o mínimo das funções potenciais 2811 na camada IG 2704. Isto é mostrado pela função potencial 2813 que corresponde à localização da função potencial 2811. A seção neutra plana da função potencial 2813 na camada IG 2704 é o resultado devido à ocupação dos elétrons da carga do sinal. Neste estágio, a área neutra não alcançou ainda o mínimo das funções potenciais 2812 na camada IG 2704.

[0130] Pode se ver que a função potencial 2812 tem o máximo local mais elevado na camada 2705 do canal JFET de todas as funções de potencial 2811, 2812 e 2813. Se o canal JFET for aberto com cuidado, a corrente começa a fluir primeiramente na localização da função potencial 2812, isto é na localização que tem a quantidade mínima de átomos dopantes da camada IG. Nesta localização, entretanto, as cargas do sinal não têm nenhum efeito no fluxo de corrente através do JFET. Assim o canal de JFET tem que ser aberto ainda mais de modo que a corrente flua onde a camada IG é ocupada por cargas do sinal. A função potencial 2811 tem o máximo local mais baixo em todas as funções de potencial 2811, 2812 e 2813. Assim o canal tem que estar aberto o máximo possível se somente algumas poucas cargas de sinal devam ser detectadas. Em outras palavras, quanto menor a carga do sinal mais elevada a corrente fluindo através do canal do JFET. É evidente que quantidades pequenas da carga do sinal causam variações pequenas em uma corrente grande tornando a detecção de quantidades pequenas de carga de sinal um grande desafio. Esta é a razão pela qual a dopagem da IG tem que ser extraordinariamente homogênea. 0 problema acima mencionado aplica-se também ao dispositivo apresentado na figura 27C.

[0131] As funções de potencial 2814 e 2815 apresentam a situação quando não se tem nenhum buraco de carga de sinal na estrutura MIG. A função de potencial 2814 está posicionada em uma localização que tem a maior quantidade de átomos dopantes do MIG e a função potencial 2815 está posicionada em uma localização que tem a menor quantidade de átomos dopantes do MIG. A função potencial 2814 tem os máximos locais mais elevados na camada MIG 104 e no canal do JFET 111. Os buracos da carga do sinal começam primeiramente a acumular o máximo localizado das funções potenciais 2814 na camada MIG e em conseqüência, o máximo localizado no canal de JFET decresce. Isto é mostrado pela função potencial 2816. Se o canal de JFET for aberto com cuidado uma pequena corrente começa a fluir na localização onde as cargas do sinal estão localizadas. As quantidades pequenas de carga do sinal situadas na estrutura MIG podem assim causar variações grandes em uma corrente pequena. O fato acima mencionado facilita consideravelmente a detecção de quantidades pequenas de carga do sinal.

[0132] As figuras 29A e 29B correspondem a MOSFETs que têm uma estrutura IG e MIG. Supõe-se que as dopagens da IG e da MIG têm flutuações e que os canais dos MOSFETs estão fechados. As funções potenciais 2911 e 2914 posicionadas em locais que têm a quantidade mais elevada dos átomos dopantes da camada IG 2704 ou da camada MIG 104 e as funções potenciais 2912 e 2915 estão posicionadas em locais com a menor quantidade de átomos dopantes IG ou MIG. As funções de potencial 2913 e 2916 correspondem às funções 2911 e 2914 do potencial que têm cargas do sinal na estrutura IG ou MIG. A situação nas figuras 29A e 29B assemelha-se à situação nas figuras 28A e 28B. A mudança na corrente devido à determinada quantidade de carga do sinal é similar nos dispositivos mas uma corrente consideravelmente mais elevada flui através do MOSFET que utiliza a estrutura IG do que através do MOSFET que utiliza a estrutura MIG.

[0133] Fazendo referência às figuras 28B e 29B é óbvio que as cargas do sinal podem ser confinadas abaixo de somente uma porção da porta do FET usando-se, por exemplo, o espessamento local opcional 1504 da dopagem da camada MIG (figuras 16, 20 e 24. Note-se que o perfil de dopagem de 1504 pode também ser graduado). Tal arranjo abaixa a capacidade da estrutura MIG que melhora a detecção de quantidades muito pequenas de carga do sinal. Isto não é, entretanto, possível nas estruturas IG onde a dopagem da IG deve ser muito homogênea sob a porta do FET. Devido a este fato, problemas surgem nas bordas da porta em MOS-FETs quadrados. As bordas da porta se referem aqui às áreas não próximas às dopagens da fonte ou do dreno. Se a dopagem da IG se estende além das bordas da porta é criado um mínimo de energia potencial de carga de sinal na camada IG próxima à localização da borda da porta onde a carga do sinal não afeta o fluxo de corrente através do canal do MOSFET. Se a porta se estender alem da dopagem IG uma quantidade grande de corrente fluirá através do canal do MOSFET nas bordas da porta. Assim é evidente que o desalinhamento deve ser evitado, do contrário, ambos os problemas acima mencionados podem existir ao mesmo tempo. Em MOSFETs quadrados as posições das bordas requerem também o planejamento cuidadoso para impedir que a corrente superficial de fuga flua ao IG. No JFETs quadrado da U.S.P. 5.786.609, a porta do JFET e a estrutura IG são conectados nas bordas da porta do JFET significando que as cargas geradas na superfície misturarão com a carga do sinal.

[0134] Os problemas acima mencionados da borda da porta naturalmente não existem nos FETs circulares. A área da porta e assim a área da estrutura IG em FETS circulares é, entretanto, bastante grande o que aumenta a capacidade da estrutura IG. O tamanho grande da área da estrutura IG é também sujeita a flutuações de dopagem da IG. Uma desvantagem de ambos os IG MOSFET quadrado e circular é também o fato que o canal deve ser mantido aberto todas as vezes, caso contrário, cargas geradas na interface com depleção entre o semicondutor e o isolador da porta vão se misturar com a carga do sinal. Isto faz naturalmente mais difícil o transporte da carga do sinal entre as estruturas diferentes da IG em transistores duplos. Um beneficio da estrutura MIG comparada à estrutura IG é também que não é necessário nenhum contato da restauração.

[0135] Alguns exemplos dos dispositivos baseados na estrutura MIG apresentados nas figuras 27C são apresentados nas figuras 30, 31, 32 e 33. O dispositivo na figura 30 contém um JFET quadrangular que tem uma fonte 3001 e um dreno 3002. Pode-se ver que a dopagem dentro da camada 50 6 de pixel pode também ter uma placa 3010. 0 dispositivo na figura 31 contém um transistor bipolar que tem uma base 3101 e um emissor 3102. Um dispositivo contendo um MOSFET é apresentado na figura 32 que têm uma fonte 3201 e um dreno 3202. Uma placa 3210 associada com a estrutura MOS é desenhada na figura. 0 dispositivo na figura 33 é um JFET modificado onde uma estrutura MOS atua como porta de JFET. Uma placa 3310 associada à dopagem formadora da fonte 3301 e dreno 3302 do JFET é mostrada na figura.

[0136] A carga do sinal na camada MIG pode ser lida, por exemplo, por uma técnica, onde os drenos (ou as fontes) dos amplificadores sejam conectados em colunas e as portas sejam conectadas em fileiras. Um pixel desejado pode ser selecionado abrindo-se acima os canais do JFET ou do MOSFET em uma fileira com uma tensão apropriada da porta e conectando uma diferença de potencial de polaridade correta entre o dreno e a fonte em uma coluna dos drenos (ou das fontes) . As portas em todas as demais fileiras restantes permanecem fechadas e as tensões em todas as colunas restantes dos drenos (ou das fontes) são mesmas que a tensão da fonte (ou o dreno) . A carga do sinal na camada MIG pode então ser então determinada a partir da corrente do dreno (ou da fonte) ou de uma saida de tensão correspondente. Esta medida pode também ser comparada à medida de uma estrutura MIG vazia. No caso dos transistores duplos apresentados nas figuras 22 - 24 (e o transistor triplo na figura 25) a carga do sinal pode ser trocada muitas vezes entre as estruturas MIG dos diferentes transistores e uma comparação entre as medidas das estruturas MIG, vazia e ocupada, pode ser feita muitas vezes.

[0137] O leitura da estrutura apresentada na figura 17 difere dos outros FETs já que a tensão de porta dos pixels individuais não pode ser alterada. Pode-se, por exemplo, conectar os drenos nas colunas e as fontes nas fileiras. As fontes e os drenos são mantidos normalmente ao mesmo potencial. A leitura é feita conectando-se, por exemplo, uma tensão adequada a uma coluna de drenos e por medição das correntes fluindo através das fileiras das fontes.

[0138] Os transistores bipolares podem ser lidos por uma forma similar àquela para os FETs, isto é abaixando a polarização inversa da junção do emissor em uma fileira de emissores e em uma coluna das bases, de modo que somente no pixel selecionado seja ligada a junção do emissor. A carga do sinal é medida então a partir da corrente do emissor ou de uma saída de tensão correspondente. Como já mencionado antes, pode-se também medir a corrente de base a fim de se reduzir o ruído. Em vez das operações acima mencionadas, pode-se também adicionar transistores de seleção em cada pixel, mas consomem espaço e tornam a estrutura mais complicada. Contudo, uma outra maneira de ler a carga do sinal é ligar os chips detectores por uma técnica de flip chip a um chip de leitura.

[0139] Em uma partícula, detectores de raios X e de raios gamma é certas vezes necessário encontrar o tempo, a localização e a energia exatos entre diversos eventos simultâneos. Isto pode, entretanto, não ser conseguido usando uma fonte FET flutuante que compreende a estrutura MIG. Isto é devido ao fato que um aumento na quantidade de carga do sinal na estrutura MIG fecha o canal do FET ainda mais. Em uma fonte FET flutuante que tem um IG a situação é a oposta: o aumento na carga do sinal abre o canal do FET ainda mais e permite a formação de um pulso de corrente de fonte instantâneo. Pode-se, entretanto, usar um transistor bipolar com emissor flutuante que compreende a estrutura MIG em vez da fonte FET flutuante. Este arranjo requer que a base por baixo do emissor esteja com depleção. A base com depleção forma uma barreira para o emissor flutuante. Um aumento da carga do sinal abaixará esta barreira permitindo a formação de um pulso imediato de corrente de emissor.

[0140] Um transistor bipolar de emissor flutuante que compreende uma estrutura MIG é apresentado na figura 34. As dopagens opcionais de segundo tipo 3401 e 3402 podem ser usadas para a condução (clearing) da carga do sinal. Os emissores flutuantes podem ser novamente enchidos ao se reduzir a polarização inversa entre a base e os bloqueios de canal por um breve período de tempo. Uma outra opção é conectar o emissor flutuante ao dreno de um FET. Durante o enchimento do emissor a porta do FET é aberta para um curto instante. Do contrário, o dreno é deixado flutuar. Deve-se notar que o tamanho do emissor 1902 pode ser maior que o espessamento local da dopagem MIG 1504.

[0141] O emissor flutuante pode ser coberto por uma camada de isolador em cujo topo pode haver uma camada condutora 3403. A camada condutora pode ser conectada a um chip de leitura. Pode-se também conectar o emissor flutuante a uma placa condutora que é isolada das adjacências por um material isolante. Esta placa condutora flutuante pode ser coberta por uma outra placa condutora conectada por exemplo a um chip de leitura. Esta última placa condutora pode também ser dividida em três setores diferentes que são isolados ente si. Estes setores podem ainda ser conectados a outros setores de pixels diferentes formando uma linha. Desta forma cada amplificador é conectado a três linhas diferentes que estão isoladas eletricamente entre si e procedendo para três sentidos diferentes. Os eventos podem então ser seguidos observando-se os sinais que chegam de três pluralidades de linhas que se estendem em três sentidos diferentes.

[0142] Uma fonte FET flutuante que compreende a estrutura MIG pode ser produzida, por exemplo, por cobertura de uma fonte com uma camada de um isolador. A camada do isolador é coberta em seguida por uma camada de um condutor formando a placa do capacitor. A placa do capacitor pode ou não ser conectada à porta do FET. Os drenos dos FETs por exemplo são conectados às colunas e as placas do capacitor são conectadas às fileiras. As placas do capacitor podem também ser conectadas ao chip de leitura. As fontes dos FETs flutuantes que compreendem a estrutura MIG podem ser MOSFETs ou JFETs quadrangulares ou circulares. Os FETs de fonte flutuante que compreendem a estrutura IG podem ser somente JFETs circulares. O FET de fonte flutuante que compreende a estrutura MIG tem um beneficio se comparado ao FET padrão que compreende a estrutura MIG. O beneficio é que os instantes de partida e finalização do período de integração da carga do sinal podem ser exatamente os mesmos para todos os pixels. Isto pode ser conseguido, por exemplo, da seguinte maneira.

[0143] A carga do sinal é liberada da camada MIG pela aplicação do potencial de liberação Vc ao dreno do FET. A seguir, o dreno do FET é conectado ao potencial VP de pixel que começa o período de integração da carga do sinal. É importante que o canal do FET esteja fechado no começo do período de integração. A acumulação da carga do sinal na camada MIG fecha o canal do FET ainda mais. O período da integração é interrompido aplicando-se um pulso de potencial apropriado a todos os drenos dos FETs simultaneamente. Este pulso de potencial enche as fontes flutuantes dos FETs a um nível que corresponde à quantidade de carga do sinal na estrutura MIG no momento exato do pulso. A carga do sinal será lida aplicando-se um potencial apropriado a uma linha de drenos e integrando-se os pulsos de corrente na linha da placa do capacitor. Quanto menor é esta carga, maior era a carga do sinal na estrutura MIG no fim do período de integração. Depois que todos os drenos tenham sido conectados ao potencial apropriado acima mencionado os drenos são conectados ao potencial Vc.

[0144] Deve-se notar que a fonte flutuante pode também ser conectada a um dreno flutuante de um FET adicional. 0 período de integração pode então ser iniciado e parado abrindo-se a porta do FET adicional. Deve-se notar que todos os capacitores previamente comentados podem ser de qualquer forma. Os capacitores Podem ser usados por exemplo capacitores multicamada em pilha.

[0145] A fim de reduzir a relação das capacidades parasitarias e totais, as camadas no topo da camada de corpo devem ser feitas tão finas como possível, isto é tão finas como as tolerâncias do processo o permitam. Os valores de campo elétrico dentro do dispositivo devem, entretanto, estar abaixo do valor de ruptura por avalancha. Se a multiplicação da carga do sinal não for desejada os valores de campo elétrico devem estar abaixo do limite da geração de avalancha.

[0146] Deve-se anotar que a invenção não requer necessariamente um transistor para ser executada em cada pixel. É completamente possível trazer somente um contato elétrico a cada pixel e operar o detector na modalidade de CTD, em que o acoplamento alternado dos pixels a determinadas tensões de transferência de carga fará com que a carga do sinal migre para a extremidade de cada fileira ou coluna de pixel, onde um pixel específico de leitura é usado para detectar de forma sincrônica a carga transferida de cada pixel na fileira. Entretanto, na modalidade de CTD o detector é muito mais sujeito aos efeitos adversos de smearing do que na modalidade do APS, na qual, cada pixel individual pode ser lido de forma separada. Uma vantagem adicional em utilizar a invenção na modalidade do APS é a possibilidade de concentrar operações rápidas de leituras consecutivas para somente algumas porções arbitrariamente selecionadas da área ativa, onde a aparição de um fenômeno interessante tenha sido notada, combinado possivelmente com operações gerais de somente "updating" ou atualização de leitura em alguns intervalos regulares, mais longos.

Pixel e outras estruturas de padrão [0147] Nas figuras 35A e 35B são apresentadas diferentes estruturas de detectores de pixel que correspondem à estrutura da figura 1. A figura 35A apresenta uma estrutura muito simples de um detector de bloqueio de canal flutuante. Na estrutura do detector da figura 35B é adicionada uma dopagem de bloqueio de canal 115 polarizada ou flutuante. A estrutura na figura 35C corresponde ao dispositivo da figura 5. As dopagens de bloqueio de canal nas figuras 35B podem ser interrompidas como é o caso na estrutura do detector da figura 35D que pode ser usado como um CTD. A carga do sinal na camada MIG pode ser transportada usando-se, por exemplo, uma técnica de três fases aplicada aos potenciais das dopagens diferentes de pixel. Pode-se também usar estruturas MOS entre as dopagens de pixel da mesma maneira que é feito na figura 22 para facilitar o transporte da carga do sinal. A estrutura na figura 35E é baseada na estrutura da figura 35C e pode também ser usada como um CTD. Como já mencionado, antes de estruturas de guarda polarizadas ou flutuantes, pode ser adicionado entre a dopagem de pixel e as posições de bloqueio de canal nas figuras 35A, 35B, 35C, 35D e 35E. Tais estruturas de guarda podem ser áreas dopadas e/ou estruturas MOS. Usando tais estruturas de guarda pode-se criar um detector de mobilidade (drift) baseado na estrutura MIG. As placas, o espessamento da camada MIG de dopagem e a alteração da camada de barreira podem ser usados para guiar a carga de mobilidade do sinal. A polarização das dopagens de pixel e estruturas MOS opcionais entre as dopagens de pixel pode ser alterada a fim de se criar mínimos potenciais locais na camada MIG e a fim de remover estes mínimos potenciais locais na mesma forma que é feito em um detector controlado de drit (CDD) . 0 número de pixels e da forma dos pixels não é limitada. Pode-se também usar pixels alongados para criar um detector da tira. A área ativa formada por pixels, como mostrado nas figuras 35A, 35B, 35C, 35D e 35E pode ser cercada por estruturas de guarda flutuante ou polarizadas de um primeiro ou segundo tipo de condutividade e estas áreas podem conter uma eletrônica de leitura e seleção.

[0148] É importante notar que em muitos materiais semicondutores, são preferidos os contatos Schottky e ôhmicos em vez das dopagens. Pode-se, por exemplo, substituir a dopagem de pixel 111, as dopagens 115 e 515 de bloqueio de canal, a camada traseira 102 e, por exemplo, os contatos da fonte, do dreno, da porta e do emissor por metais apropriados. Os implantes de contato de dose elevada podem, por outro lado, ser necessários com contatos feitos, por exemplo, para as dopagens 111, 506, 115 e 515. Pode-se também unir o lado dianteiro do dispositivo a um substrato de suporte e diminuir em espessura a porção traseira do dispositivo para que o dispositivo possa alcançar uma espessura desejada. A camada de corpo de um dispositivo fino pode ser dopada de forma mais pesada do que a camada de corpo de um dispositivo grosso. A polarização da camada de corpo pode também ser feita usando-se um contato feito na borda do substrato.

Aplicações práticas [0149] Um detector semicondutor de radiação de acordo com uma modalidade pode ser usado mais vantajosamente para detectar a radiação UV, luz visível, perto ou longe da radiação infravermelha e/ou raios X suaves. A área de aplicação pode ser estendida notavelmente para raios X energéticos que têm uma energia de quantum acima de lOkeV cobrindo a superfície traseira do detector com um material cintilador. Em tal caso, o detector não detectaria os raios X incidentes como tais, mas os quantos de cintilação que surgem quando os raios X batem o material do cintilador.

[0150] Os níveis diminuídos de corrente de fuga que podem ser conseguidos com a invenção permitem que o detector seja feito de outros materiais semicondutores que não o silício, materiais outros que tem sido previamente considerados como envolvendo níveis elevados proibitivos de corrente de fuga. Tais outros materiais semicondutores incluem (mas não são limitados e estes) o germânio, gallium arsenide e cadmium telluride.

[0151] Um dispositivo que inclua um detector de acordo com uma modalidade da invenção pode também incluir outros chips semicondutores, alguns dos quais pode ter conexões ligadas aos pixels do detector. Isto permite construir estruturas muito compactas que incluem detecção, amplificação, leitura e em alguns casos ainda armazenamento em um espaço muito pequeno, como um MCM (módulo multi-chip) .

[0152] A maneira não destrutiva de leitura de uma quantidade de carga acumulada do sinal por observação da forma em que afeta o comportamento elétrico de um transistor de efeito de campo permite ler a mesma carga muitas vezes antes de ser apagada. Ou seja, a acumulação de carga em pixels diferentes pode ser monitorada essencialmente de forma continua.

REIVINDICAÇÕES

Claims

1. Dispositivo detector semicondutor de radiação que compreende: - uma camada condutora de lado traseiro (102) e uma camada de corpo (103) de um material semicondutor, caracterizado pelo fato de que compreende, em uma superfície da camada de corpo (103) oposta à camada condutora de lado traseiro (102), na seguinte ordem: - uma camada interna de porta modificada (104) de semicondutor de um segundo tipo de condutividade, - uma camada de barreira (105) de semicondutor de um primeiro tipo de condutividade e - dopagens de pixel (111, 112, 506, 511, 512) de semicondutor do segundo tipo de condutividade, adaptado para ser acoplado pelo menos a uma tensão de pixel a fim de criar pixels que correspondem às dopagens de pixel, a tensão de pixel sendo definida como a diferença de potencial a um potencial da camada condutora do lado traseiro (102).

2. Dispositivo detector semicondutor de radiação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada interna de porta modificada (104) e a camada de barreira (105) são contínuas em toda extensão de uma área ativa que compreende uma matriz das dopagens de pixel (111, 112, 506, 511, 512) .

3. Dispositivo detector semicondutor de radiação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada interna de porta modificada (104) é uma camada de implantação feita ao material da camada de corpo (103), e a camada de barreira (105) é uma camada de crescimento epitaxial no topo da camada interna de porta modificada (104) .

4. Dispositivo detector semicondutor de radiação, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que as dopagens de pixel (111, 112, 506, 511, 512) compreendem áreas da camada epitaxial (105) implantadas com um dopante que faz as dopagens de pixel (111, 112) exibirem a condutividade de segundo tipo.

5. Dispositivo detector semicondutor de radiação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um número de dopagens de pixel (111, 112, 506, 511, 512) compreendem um transistor pixel-especifico construído na dopagem de pixel, o transistor sendo um transistor de efeito de campo ou um transistor bipolar, e o dispositivo detector semicondutor de radiação compreendendo um circuito de leitura de carga de sinal adaptado para medir características elétricas dos transistores pixel-específicos relacionados às dimensões efetivas de canal ou de base dos transistores pixel-específicos.

6. Dispositivo detector semicondutor de radiação, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o circuito do leitor de carga de sinal é adaptado para medir as características elétricas de um transistor pixel-específico relacionado à diminuição da largura do canal ou da base causada por buracos ou elétrons induzidos por radiação que se acumulam na camada interna de porta modificada em uma localização coincidente com um pixel que contém o transistor pixel-especifico.

7. Dispositivo detector semicondutor de radiação, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o circuito de leitura de carga de sinal é adaptado para medir características elétricas de um transistor pixel-específico relacionado ao aumento da largura do canal ou da base causado por buracos ou elétrons induzidos por radiação que se acumulam na camada interna de porta modificada em uma localização coincidente com um pixel que contém o transistor pixel-especifico.

8. Dispositivo detector semicondutor de radiação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende: uma área ativa em uma porção de um chip semicondutor, que a área ativa compreende as dopagens de pixel (111, 112, 506, 511, 512), e - um contato de lado dianteiro (821, 825, 1030, 1210) para trazer uma tensão de polarização ao dispositivo detector semicondutor de radiação, o contato de lado dianteiro (821, 825, 1030, 1210) estando em uma localização entre a área ativa e uma borda do chip semicondutor.

9. Dispositivo detector semicondutor de radiação, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o contato do lado dianteiro (821, 825) compreende uma estrutura de barreira que alcança a camada de corpo (103).

10. Dispositivo detector semicondutor de radiação, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende um número de estruturas separadas da vala (822, 823, 824) entre o contato do lado dianteiro (821) e a área ativa.

11. Dispositivo detector semicondutor de radiação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende dopagens de bloqueio de canal (115, 116, 515, 516) entre pixels, as dopagens de bloqueio de canal (115, 116, 515, 516) sendo adaptadas para serem flutuantes ou polarizadas.

12. Dispositivo detector semicondutor de radiação, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que as dopagens de bloqueio de canal (115, 116, 515, 516) são do primeiro tipo de condutividade, assim exibindo o tipo oposto de condutividade comparada aos pixels.

13. Dispositivo detector semicondutor de radiação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende estruturas MOS flutuantes ou polarizadas entre pixels.

14. Dispositivo detector semicondutor de radiação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende: uma área ativa em uma porção de um chip semicondutor, que a área ativa compreende as dopagens de pixel (111, 112, 506, 511, 512), e - um contato da porção traseira à camada da porção traseira (102) para trazer uma tensão de polarização ao dispositivo detector semicondutor de radiação, o contato da porção traseira está em uma localização entre a área ativa e uma borda do chip semicondutor.

15. Dispositivo detector semicondutor de radiação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende uma placa (1510, 1710, 1810, 3010, 3210, 3310) de dopagem de um pixel ou um implante dentro de uma dopagem de pixel, a placa estendendo-se pela dimensão da dopagem de pixel ou de implante para a camada interna de porta modificada (104).

16. Dispositivo detector semicondutor de radiação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende um espessamento local (1504) da dopagem da camada interna de porta modificada (104) .

17. Dispositivo detector semicondutor de radiação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende uma alteração de dopagem da camada de barreira (105).

18. Dispositivo detector semicondutor de radiação, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a fonte de um FET ou o emissor de um transistor bipolar são flutuantes.

19. Dispositivo detector semicondutor de radiação, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a fonte flutuante de um FET ou o emissor flutuante de um transistor bipolar é conectada a um capacitor.

20. Dispositivo detector semicondutor de radiação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende dopagens flutuantes ou polarizadas (811, 814, 815, 819, 1020, 1115) adicionais de ambos os primeiro e segundo tipos de condutividade fora de uma área ativa que compreende uma matriz de dopagens de pixel (111, 112, 506, 511, 512).

21. Dispositivo detector semicondutor de radiação, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que compreende uma eletrônica de leitura e seleção sobre as dopagens adicionais (811, 814, 815, 819, 1020, 1115).

22. Dispositivo detector semicondutor de radiação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende camadas (104, 105) feitas por implantação.

23. Dispositivo detector semicondutor de radiação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende camadas (506) feitas por implantação.

24. Dispositivo detector semicondutor de radiação, de acordo com reivindicações 22 ou 23 ou ambos, caracterizado pelo fato de que a implantação é uma implantação sem máscara.

25. Método para detectar radiação, que compreende: - acoplar um número de pixels (111, 511) sobre uma superfície de um dispositivo detector semicondutor de radiação a uma tensão de pixel, - iluminar o detector semicondutor de radiação com radiação, caracterizado pelo fato de que compreende: - reunir cargas de um sinal induzido por radiação de um primeiro tipo de uma camada de corpo (103) do detector semicondutor de radiação para mínimos locais de uma função potencial tridimensional para as cargas do primeiro tipo, os mínimos locais sendo localmente coincidentes com pixels (111) em uma camada interna de porta modificada (104) posicionados ao lado da camada de corpo (103) , e - detectar a quantidade de carga de sinal reunida para os mínimos locais que coincidem com pixels (111) .

26. Método, de acordo com a reivindicação 25, caracterizado pelo fato de que detectar a quantidade de carga de sinal compreende observar as características elétricas dos transistores pixel-específicos relacionados às dimensões eficazes de canal e base dos transistores pixel-específicos.

27. Método, de acordo com a reivindicação 25, caracterizado pelo fato de que detectar a quantidade de carga do sinal compreende transferir a carga pixel relacionada através de um número de pixels a um pixel de leitura e observar as características elétricas do pixel de leitura.