DE4224358C1

DE4224358C1 - Strahlungssensoreinrichtung

Info

Publication number: DE4224358C1
Application number: DE19924224358
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr Rer Nat Streil; Roland Dr Ing Klinke; Axel Dipl Phys Erlebach
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1992-07-23
Filing date: 1992-07-23
Publication date: 1993-10-28
Anticipated expiration: 2012-07-24

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strahlungssensoreinrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine mikroelektronische Strahlungssensoreinrichtung, die vornehmlich zur Erfassung von Quantenstrahlung dient und die sich sowohl als Einzelelement, als Sensorzeile oder als zweidimensionales Sensorarray ausführen läßt.

Es sind bereits eine Vielzahl von Strahlungssensoren, die insbesondere als bildgebende Systeme für Quantenstrahlung implementiert sind, bekannt. Typischerweise sind derartige Strahlungssensoren mit Halbleiterelementen realisiert. Eine Übersicht über bekannte Strahlungssensoren ist wiedergegeben in Elektronikpraxis, Nr. 9, 1978, Seiten 12 ff. Häufig werden Strahlungssensoren als Sensorzeile oder als zweidimensionales Array ausgeführt, um eine eindimensionale oder zweidimensionale Strahlungsverteilung erfassen zu können. Hierfür werden üblicherweise CCD-Bildsensoren eingesetzt. Bei dieser Technik kommt es jedoch im Laufe des Ladungstransportes zu sog. Bildverschmierungen.

Allgemein handelt es sich bei den Bildsensoren um Schaltungen, bei denen höchste Integrationsfähigkeit wichtig ist und bei denen deshalb hohe Anforderungen an die Herstellungstechnologie zu stellen sind.

Besondere Probleme treten auf, wenn bei derartigen Strahlungssensoren Strahlungen mit einem hohen Dynamikbereich bei hoher Sensitivität erfaßt werden sollen, da in diesem Fall im Stand der Technik aufwendige logarithmische analoge Verstärker zur Auswertung benötigt werden, die sich aber nur schwer mit kleinem Flächenbedarf auf dem Chip integrieren lassen. Wenn im Stand der Technik ein hoher Dynamikbereich gewünscht ist, schließt dies die Verarbeitung des Signales direkt auf dem Chip unmittelbar bei dem Sensorelement aus.

Aus der EP-01 73 051 A1 ist bereits eine Strahlungssensoreinrichtung bekannt. die eine Photodiode mit nachgeschalteter Verstärkerschaltung und eine Referenzstromquelle umnfaßt, wobei entweder der Ausgang der Verstärkerschaltung oder die Referenzstromquelle über einen elektronisch angesteuerten Umschalter mit einem Integrationskondensator verbindbar sind. Ein Komparator vergleicht die Spannung, die über den Integrationskondensator abfällt, mit einer Vergleichsspannung, wobei das Zeitverhalten des Ausgangssignales des Komparators die einfallende Strahlungsleistung darstellt.

Aus der DE-36 51 137 C2 ist eine weitere Strahlungssensoreinrichtung bekannt, die ein Lichtdetektorelement und zwei Konstantstromquellen sowie eine Signalverarbeitungsschaltung umfaßt. Das Lichtdetektorelement ist mit einer zusätzlichen Speisequelle verbunden. Die erste Konstantstromquelle ist mit der Speisequelle und dem Lichtdetektorelement in Reihe geschaltet. Ein Feldeffekttransistor der Signalverarbeitungsschaltung ist mit seiner Gate-Elektrode mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Lichtdetektor und der Speisequelle verbunden, wobei die Signalverarbietungsschaltung in Abhängigkeit von der Spannung an dem Gate des zweiten Feldeffekttransistors ein binäres Ausgangssignal abgibt, dessen Schaltzustand von der einfallenden Lichtleistung abhängt.

Aus der DE-37 06 252 C2 ist ein Halbleiterphotosensor bekannt, der eine logarithmische Diode umfaßt, über die der von einem Photosensor erzeugte Photostrom fließt und die einen Bestandteile eines logarithmischen Verstärkers zur Abgabe eines Ausgangssignales darstellt, welches der einfallenden Beleuchtung entspricht. Zur Abdeckung unterschiedlicher Bereiche können mehrere Photosensoren mit zugeordneten logarithmischen Dioden vorgesehen sein, die über einen Multiplexer und einem nachgeschalteten Dekodierer alternativ ausgelesen werden.

Aus der Fachveröffentlichung J.Kemmer, Physik in unserer Zeit, 19. Jahrgang (1988), Nr. 5, Seiten 150 bis 158 sind verschiedene zweidimensionale Strahlungsdetektoren insbesondere in Form von Halbleiterdetektoren für die Röntgenstrahlungserfassung bekannt. Details der für derartige Sensoren erforderlichen Auswertungsschaltungen sind dieser Schrift nicht zu entnehmen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Strahlungssensoreinrichtung zu schaffen, die trotz hoher Sensitivität und hohem Dynamikbereich bei niedrigem Flächenbedarf realisierbar ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Strahlungssensoreinrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Strahlungssensoreinrichtung sind in den Unteransprüchen definiert.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Strahlungssensoreinrichtung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strahlungssensoreinrichtung; und

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform derselben.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt die Strahlungssensoreinrichtung, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, ein Strahlungssensorelement, welches hier als p-Kanal-MOS-Transistor T mit floatender Wanne ausgeführt ist. Dies bedeutet, daß bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der p-Kanal-MOS-Transistor in einer nicht kontaktierten n-Wanne ausgeführt ist. Derartige Elemente sind an sich im Stand der Technik bekannt, wie sich aus folgender Schrift ergibt:

IEEE Journal of Solid State Circuits, Band SC-22, April 1987, Seiten 299-301. Bei einem derartigen Element generiert die einfallende Strahlung, die insbesondere auch eine Partikelstrahlung sein kann, in der n-Wanne des p-Kanal-MOS- Transistors T sowie in der Raumladungszone des pn-Übergangs zwischen Wanne und Substrat Löcher und Elektronen. Das anliegende elektrische Feld bewirkt eine Wanderung der Elektronen in der n-Wanne und verursacht die Injektion von zusätzlichen Löchern an dem n-Wannen-Source-Übergang. Solche Injektionen von Löchern, die in der Nähe des p-Kanals des MOS-Transistors T stattfinden, erhöhen den Strom im Kanal des Transistors, während entfernte Injektionen über den vertikalen pnp-Bipolartransistor in das Substrat abfließen.

Anstelle des hier gezeigten p-Kanal-MOS-Transistors T kommt für die Zwecke der Erfindung gleichfalls ein n-Kanal-MOS- Transistor, ein J-FET, ein SOI-Transistor oder einer pn- Sperrschichtdiode in Betracht.

Jedoch gestattet der bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gezeigte p-Kanal-MOS-Transistor mit floatender Wanne in überraschender Weise bei Lichteinfall, Strahlungen in der Größenordnung Mikro-Lux zu detektieren. Wie noch im einzelnen erläutert werden wird, trägt dieses Sensorelement dazu bei, innerhalb der erfindungsgemäßen Strahlungssensoreinrichtung Strahlungen über sieben Größenordnungen zu erfassen.

Der Drain-Source-Strom des p-Kanal-MOS-Transistors T, dessen Größe im wesentlichen proportional zu der einfallenden Strahlungsleistung ist, wird über einen ersten Schalter S1 einem ersten Kondensator C1 zugeführt, der mit seinem dem ersten Schalter abgewandten Pol gegen ein Bezugspotential V_SS geschaltet ist. Die Source des Transistors wird mit einem Versorgungspotential V_DD beaufschalgt, während dessen Arbeitspunkt über eine Arbeitspunkteinstellspannung V_B festgelegt ist.

Die Arbeitspunkteinstellung hängt vom Anwendungsfall ab und kann sowohl in der Weise gewählt werden, daß das Strahlungssensorelement T mit einem Ruhestrom auch für den Fall arbeitet, daß keine Strahlung einfällt, oder kann derart eingestellt werden, daß der Source-Drain-Strom im wesentlichen proportional zu der einfallenden Strahlungsleistung ist.

Die erfindungsgemäße Strahlungssensoreinrichtung umfaßt ferner eine Referenzstromquelle SQ zur Erzeugung eines eingeprägten Referenzstromes I_ref, der über einen zweiten Schalter S2 einem zwieten Kondensator C2 zuführbar ist.

Parallel zum ersten und zweiten Kondensator C1, C2 liegen ein dritter und vierter Schalter S3, S4, bei deren Schließen eine Entladung der beiden Kondensatoren C1, C2 erzwungen wird.

Diejenigen Pole der beiden Kondensatoren C1, C2, die den auf Bezugspotential V_SS gelegten Polen abgewandt sind, sind mit den beiden Eingängen E1, E2 eines Multiplexers verbunden, der bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch einen fünften und sechsten Schalter S5, S6 gebildet wird, die gegensinnig angesteuert werden, wie dies durch den Inverter INV in der Ansteuerung des fünften Schalters S5 verdeutlicht werden soll.

Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die erfindungsgemäße Strahlungssensoreinrichtung unter der Steuerung einer Steuerungseinrichtung ST für den ersten bis sechsten Schalter S1 bis S6 zyklisch betrieben.

Jeder Zyklus beginnt damit, daß der dritte und vierte Schalter S3, S4 zur Entladung der beiden Kondensatoren C1, C2 geschlossen werden. Ausgehend von diesem vorbereitenden Entladungsvorgang der beiden Kondensatoren C1, C2 folgt nun der eigentliche Meßabschnitt des Zyklus, der mit dem gleichzeitigen Schließen des ersten und zweiten Schalters S1, S2 beginnt. In diesem Schaltzustand des ersten und zweiten Schalters S1, S2 ist der Multiplexer, der durch den fünften und sechsten Schalter S5, S6, gebildet ist, zunächst derart geschaltet, daß der dem Bezugspotential abgewandte Pol des ersten Kondensators C1 über den sechsten Schalter S6 mit dem Ausgang A verbunden ist.

In diesem Schaltzustand folge am ersten Kondensator C1 eine Integration des Drain-Source-Stromes des p-Kanal-MOS-Transistors T, während am zweiten Kondensator C2 eine Integration des Referenzstromes I_ref stattfindet.

Die Steuerungseinrichtung ST ist eingangsseitig mit dem genannten Pol des ersten Kondensators C1 verbunden und führt, wie nachfolgend detaillierter erläutert wird, in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Ladungsakkumulation an dem ersten Kondensator C1 unterschiedliche Durchschaltungen zur Beendigung des eigentlichen Meßzyklus aus.

Wenn innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer ab dem gleichzeitigen Schließen des ersten und zweiten Schalters S1, S2 zur Einleitun des Meßzyklus das Potential am Eingang der Steuerungseinrichtung ein bestimmtes Grenzpotential oder Vergleichspotential nicht überschreitet, veranlaßt die Steuerungseinrichtung mit Ablauf dieser Zeitdauer zumindest das Öffnen des ersten Schalters, typischerweise das gleichzeitige Öffnen des ersten und zweiten Schalters, wobei der Multiplexer sich in der genannten Lage befindet, bei der der sechste Schalter den genannten Pol des ersten Kondensators C1 mit dem Ausgang A verbindet.

Wenn andererseits wegen einer hohen einfallenden Lichtleistung vor Ablauf der vorgegebenen Zeitdauer ab dem gleichzeitigen Schließen des ersten und zweiten Schalters S1, S2 das Grenzpotential üpberschritten wird, so öffnet die Streuerungseinrichtung ST in Reaktion hierauf zumindest den zweiten Schalter S2, typischerweise jedoch den ersten und den zweiten Schalter S1, S2, und bewirkt eine Umschaltung des Multiplexers durch Öffnen des sechsten Schalters S6 und Schließen des fünften Schalters S5, so daß der dem Bezugspotential V_SS abgewandte Pol des zweiten Kondesnators C2 mit dem Ausgang A verbunden ist.

Die insoweit beschriebene Schaltungsstruktur der erfindungsgemäßen Strahlungssensoreinrichtung 1 ist im Fall einer eindimensionalen Sensorzeile oder im Falle eines zweidimensionalen Arrays direkt auf dem Bildsensorchip für jedes Einzelelement integriert ausgeführt. Die Ausgänge A stehen - gegebenenfalls über weitere, nicht gezeigte Multiplexer - mit einem Analog-Digital-Wandler zur Umsetzung des analogen Schaltungsausgangssignales in ein entsprechendes Digitalsignal zur Verfügung, das eingangsseitig einem Mikrocomputer MC zugeführt wird.

Gleichfalls wird dem Mikrocomputer ein den Schaltzustand des Multiplexers darstellendes Signal zugeführt, so daß dieser das digitale Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers in Abhängigkeit davon über eine erste bzw. zweite Tabelle einer erfaßten Strahlung zuordnen kann, ob das den Schaltzustand des Multiplexers anzeigende Signal einen ersten oder zweiten logischen Zustand hat.

In dem Fall, in dem die Ladung auf dem ersten Kondensator C1 innerhalb der vorgegebenen Meßzeitdauer nicht zu einer Spannung, die das Grenzpotential überschritt, geführt hat, entspricht das Ausgnagssignal der Spannung über den ersten Kondensator C1 und somit dem Integral über den Strom des Strahlungssensorelementes T über eine feste Zeitdauer.

Falls jedoch die Spannung über den ersten Kondensator C1 während der vorgegebenen Meßzeitdauer die genannte Referenzspannung übersteigt, wird zu diesem Zeitpunkt die Integration des Referenzstromes I_ref an dem zweiten Kondensator C2 abgebrochen, so daß in diesem Fall die Ladung an dem zweiten Kondensator C2 proportional zu der Zeitdauer bis zum Erreichen des Grenzpotentiales und damit umgekehrt proportional zu der durchschnittlichen eingefallenen Strahlungsleistung ist. Dementsprechend kann über eine geeignete Tabelle im Mikrocomputer MC, die dieser umgekehrten Proportionalität Rechnung trägt, für diesen Fall eine Auswertung der Strahlungsmenge in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung, die der Spannung über den Kondensator C2 entspricht, vorgenommen werden.

Die Wahl der vorgegebenen Zeitdauer sowie die Höhe des Referenzstromes I_ref, die Kapazitätswerte der beiden Kondensatoren C1, C2 und der Arbeitspunkt des Strahlungssensorelementes T hängen von dem gewünschten Meßbereich ab. Jedoch wird man diese Werte so wählen, daß die Meßbereichsumschaltung durch die Steuerungseinrichtung ST in der logarithmischen Mitte des Meßbereiches erfolgt.

Die erzielbare Auflösung des detektierten Strahlungsbereiches bei der erfindungsgemäßen Strahlungssensoreinrichtung ist direkt proportional zu der gewählten Wortbreite des Aanalog- Digital-Wandlers ADW. Die momentan verfügbare Schaltungstechnik erlaubt Wortbreiten des Analog-Digital-Wandlers von 12 Bit. Das erfindungsgemäße Verfahren, welches im Hinblick auf die Größe des erfaßbaren Meßbereiches multiplizierende Wirkung hat, ermöglicht daher 24 Bit Auflösung, was eine Dynamik von sieben Größenordnungen entspricht.

Die Art der Ausführung der Steuerungseinrichtung ST ist nicht maßgeblich für die Zwecke der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise kann jedoch die Steuerungseinrichtung ST, wie dies in Fig. 2 verdeutlicht ist, einen Komparator K umfassen, dessen Referenzeingang mit dem Grenzpotential beaufschlagt wird.

Die zweite Ausführungsform gemäß Fig. 2 stimmt weitgehend mit derjenigen gemäß Fig. 1 überein, so daß nachfolgend nur Abweichungen der Ausführungsformen zu erläutern sind. In Fig. 2 sind nur die wesentlichen Elemente gezeigt, die übrigen sind fortgelassen. Das Strahlungssensorelement T und die Schalter S1 bis S4 können durch MOS-Transistoren M1 bis M5 gebildet sein. Die Gates des zweiten, dritten und fünften MOS-Transistors M2, M3 und M5, die den ersten, zweiten und sechsten Schalter S1, S2 und S6 bilden, sind mit dem Ausgang des Komparators K verbunden, während das Gate des vierten MOS-Transistors M4 mit dem Ausgang des Inverters INV verbunden ist, der eingangsseitig an den Komparatorausgang angeschlossen ist.

Die erfindungsgemäße Strahlungssensoreinrichtung ermöglicht eine vollständige Integration des Strahlungssensorelementes und der dazugehörigen Auswertungsschaltung auf jedem Pixel des integriert ausführbaren Sensorchips. Die erfindungsgemäße Strahlungssensoreinrichtung ermöglicht einen hohen Dynamikbereich von sieben Größenordnungen unter Einsparung von instabil arbeitenden Logarithmier-Verstärkern. Bei der erfindungsgemäßen Strahlungssensoreinrichtung verfügt jedes sensitive Element auf dem Chip über eine Eigenverstärkung, wodurch Rauschprobleme weitgehend ausgeschaltet werden.

Das Auslesen der erfindungsgemäßen Strahlungssensoreinrichtung kann nach definierten Zeitabständen vorgenommen werden. In der Zwischenzeit kann das System in einem "Schlafzustand" belassen werden. Die erfindungsgemäße Strahlungssensoreinrichtung kann bei Ausführung als Array direkt mit der zugehörigen Ortsinformation ausgelesen werden.

Ausleseprobleme, wie sie im Stand der Technik bei CCD-Bildsensoren auftreten und zu Bildverschmierungen führten, sind bei der erfindungsgemäßen Strahlungssensoreinrichtung ausgeschlossen.

Durch den hohen erzielbaren Dynamikbereich und die hohe örtliche Auflösung der erfindungsgemäßen Strahlungssensoreinrichtung kann auf Blendensysteme verzichtet werden, da die erfindungsgemäße Einrichtung extrem hohe Unterschiede der Strahlungsleistung verarbeiten kann.

Das erfindungsgemäße System eignet sich sowohl zur Erfassung von Quantenstrahlung als auch zur Erfassung von Partikelstrahlung.

Claims

1. Strahlungssensoreinrichtung

- mit einem Strahlungssensorelement (T), das derart beschaltet ist, daß es einen im wesentlichen zu der erfaßten Strahlungsleistung proportionalen Strom abgibt,
- mit einem ersten Kondensator (C1), der mit dem Strahlungssensorelement (T) zur Integration des von diesem abgegebenen Stromes mittels eines ersten Schaltelementes (S1) verbindbar ist,
- mit einer Referenzstromquelle (SQ),
- mit einem zweiten Kondensator (C2), der mit der Referenzstromquelle (ST) mittels eines zweiten Schalters (S2) verbindbar ist,
- mit einem Multiplexer (S5, S6, INV), mit dem wahlweise ein Pol des ersten oder des zweiten Kondensators (C1, C2) mit einem Ausgang (A) verbindbar ist, und
- mit einer Steuerungseinrichtung (ST), die eingangsseitig mit dem genannten Pol des ersten Kondensators (C1) in Verbindung steht, zur Ansteuerung des ersten und des zweiten Schalters und des Multiplexers in der Weise, daß
- -- gleichzeitig der erste und der zweite Schalter (S1, S2) geschlossen werden,
- -- durch Ansteuerung des Multiplexers (S5, S6, INV) der genannte Pol des ersten Kondensators (C1) mit dem Ausgang (A) verbunden und zumindest der erste Schalter geöffnet wird, wenn eine vorgegebene Zeitdauer ab dem gleichzeitigen Schließen des ersten und zweiten Schalters (S1, S2) vergangen ist und das Potential am Eingang der Steuerungseinrichtung (ST) innerhalb dieser Zeitdauer ein Grenzpotential nicht überschreitet, und
- -- durch Ansteuerung des Multiplexers (S5, S6, INV) der genannte Pol des zweiten Kondensators (C2) mit dem Ausgang (A) verbunden und zumindest der zweite Schalter geöffnet wird, wenn das Potential am Eingang der Steuerungseinrichtung (ST) ein Grenzpotential überschreitet, bevor die vorgegebene Zeitdauer ab dem gleichzeitigen Schließen des ersten und zweiten Schalters vergangen ist.

2. Strahlungssensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein dritter und ein vierter Schalter (S3, S4) jeweils parallel zu dem ersten und zweiten Kondensator (C1, C2) geschaltet sind und
daß der dritte und vierte Schalter (S3, S4) von der Steuerungseinrichtung (ST) jeweils vor dem gleichzeitigen Schließen des ersten und zweiten Schalters (S1, S2) geschlossen werden, um den ersten und zweiten Kondensator (C1, C2) zu Beginn eines jeden Meßzyklus zu entladen.

3. Strahlungssensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Strahlungssensorelement ein MOS-Transistor (T) mit floatender Wanne ist.

4. Strahlungssensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Strahlungssensorelement ein J-FET ist.

5. Strahlungssensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Strahlungssensorelement ein SOI-Transistor ist.

6. Strahlungssensoreinrichtung nach Anspruich 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Strahlungssensorelement eine pn-Sperrschicht- Diode ist.

7. Strahlungssensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch
einen dem Ausgang nachgeschalteten Analog-Digital- Wandler (ADW), und
einen dem Analog-Digital-Wandler (ADW) nachgeschalteten Mikrocomputer (MC), dem ferner ein den Multiplexerzustand anzeigendes Signal zugeführt wird.