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Die Erfindung betrifft hybride Lichtsensoren, d.h.
lichtempfindliche Sonden, deren lichtempfindliche Elemente
auf einem ersten Substrat ausgebildet sind, während die
Leseschaltung für die elektrischen Signale, die aus den
lichtempfindlichen Elementen kommen, auf einem zweiten
Substrat ausgebildet ist.
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Ein solcher hybrider Lichtsensor wird beispielsweise
für die Herstellung von Bildaufnehmermatrizen im
Infrarotbereich verwendet. Das erste Substrat trägt ein Mosaik von
Infrarotdetektoren, beispielsweise photovoltaische Dioden,
die durch oberflächliche lokale Diffusion eines
Dotierungsmittels, z.B. vom Typ N, in einem Substrat entgegengesetzter
Leitfähigkeit (vom Typ P) gebildet werden. Das zweite
Substrat trägt eine Leseschaltung bestehend aus einem Mosaik
von elementaren Leseschaltungen entsprechend je einem
Detektor des ersten Substrats. Die Leseschaltungen des zweiten
Substrats enthalten für jeden Detektor des ersten Substrats
mindestens eine Eingangsdiode, gefolgt von einem
benachbarten Injektionsgate und einem Speichergate, das dem
Injektionsgate, aber nicht der Eingangsdiode benachbart ist.
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Die Detektoren des ersten Substrats sind je an eine
Eingangsdiode des zweiten Substrats angeschlossen.
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Die übliche Struktur einer elementaren Leseschaltung
des zweiten Substrats ist in Figur 1 gezeigt, wobei die
Verbindung mit einem photovoltaischen Detektor des ersten
Substrats in der symbolischen Form eines Verbindungsleiters
angedeutet ist (siehe z.B. EP-A-0 098 191).
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Das erste Substrat, beispielsweise vom Typ P, heißt
S1 und das zweite Substrat, ebenfalls vom Typ P, heißt S2.
Der photovoltaische Detektor ist eine Diode, die aus einer
Zone 10 vom Typ N&spplus; gebildet wird, welche durch Diffusion in
das erste Substrat vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp
erhalten wurde. Diese Zone ist elektrisch an eine Zone 12
angeschlossen, die durch Diffusion im zweiten Substrat
gebildet ist und ebenfalls vom entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyp bezüglich des Substrats ist, in das sie
eindiffundiert wurde.
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Die Zone 12 bildet einen Eingang der auf dem Substrat
S2 ausgebildeten elementaren Leseschaltung.
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Diese elementare Leseschaltung enthält eine Diode
(Zone 12 vom Typ N&spplus;, die in das Substrat S2 vom Typ P
eindiffundiert ist), ein Injektionsgate 14 neben der Zone 12
und ein Speichergate 16 neben dem Injektionsgate 14, aber
nicht der Zone 12 benachbart.
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Die Leseschaltung arbeitet folgendermaßen: Die
Substrate S1 und S2 sind beispielsweise über ihre Rückseite
an eine elektrische Masse angeschlossen, die ein
Nullpotential definiert. Das Vorspannungspotential VE der Zone 10
(photovoltaische Diode) liegt nahe bei 0 Volt, um einen
korrekten Betrieb des Detektors zu erlauben. Das
Vorspannungspotential der Zone 12 liegt daher ebenfalls nahe bei
Volt und erlaubt aufgrund des benachbarten Injektionsgates
14 die Injektion des Stroms der photovoltaischen Diode in
eine Speicherzone 18, die unterhalb des Speichergates 16
liegt. Diese Injektion erfolgt durch einen Kanal 20, der vom
Substrat unterhalb des Injektionsgates gebildet wird.
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Die Speicherzone 18 ist eine Zone des Substrats, in
der von der Eingangsdiode injizierte Ladungen sich örtlich
sammeln können, da eine in dieser Zone gebildete
Potentialsenke vorübergehend die Ableitung dieser Ladungen
verhindert. Die Potentialsenke wird durch Anlegen einer
hinreichend positiven Spannung (beispielsweise +5 bis +10 Volt)
bezüglich des Substrats an das Speichergate erzeugt. Möchte
man so gesammelte Ladungen abfließen lassen, dann verändert
man das Potential des Speichergates bezüglich des Potentials
in einer nicht dargestellten benachbarten Zone, in die diese
Ladungen abfließen sollen. Die Leseschaltung ist in
Wirklichkeit eine Schaltung zur Umwandlung des photovoltaischen
Stroms in ein Paket von während einer bestimmten
Beleuchtungsdauer der lichtempfindlichen Sonde akkumulierten
Ladungen.
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Das Potential Vi des Injektionsgates 14 wird während
der Phase des Sammelns der Ladungen unter dem Speichergate
abhängig von den Herstellungsparametern der Schaltung
gewählt, damit die Injektion von Ladungen der Eingangsdiode 12
in die Speicherzone möglich ist, aber auch, damit diese
Injektion wirklich vom photovoltaischen Strom im optimalen
Spannungsbereich resultiert, d.h. in den Bereich, der einem
von der Vorspannung möglichst unabhängigen, in der
photovoltaischen Diode erzeugten Strom entspricht.
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In der Praxis wird das Injektionsgate durch eine
Gleichspannung Vi vorgespannt, die den Kanal 20, über dem es
liegt, in einen schwachen Inversionszustand versetzt, d.h.
daß der Kanal 20 schwach stromleitend ist. Das Potential der
Zone 12 bildet sich so aus, daß der Injektionsstrom dieser
Zone unter dem Injektionsgate dem Strom der photovoltaischen
Diode gleich wird.
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Wenn die Vorspannung Vi zu groß ist, wird der Strom
der photovoltaischen Diode zu stark für die Kapazität der
Schaltung, und der erzeugte Strom nimmt ab und wird stärker
von der Vorspannung abhängig.
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Es ist daher notwendig, genau das Potential der Zone
des Kanals 20 zu kontrollieren, das die Vorspannung der
photovoltaischen Diode definiert.
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Das Potential der Zone des Kanals 20 kann nur über
das Injektionsgate 14 kontrolliert werden, das an eine
Vorspannungsquelle Vi während der Injektionsphase
angeschlossen ist. Wenn aber das Potential Vi durch diese
Vorspannungsquelle bestimmt wird, hängt das Potential in dem
Kanal in der Nähe der Zone 12 des Typs N&spplus; von vielen Faktoren
ab, nämlich der Dotierung des Kanals, der Dicke der
Isolierschicht des Gate und der Art des Isoliermaterials, und
insbesondere den elektrischen Ladungen, die in dem
Isoliermaterial
des Gates oder am Übergang zwischen dem
Isoliermaterial und dem Halbleiter eingefangen sind.
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Diese eingefangenen Ladungen sind zeitlich und auch
räumlich von einem Punkt zum anderen des Mosaiks von
elementaren Leseschaltungen variabel, wenn die Vorrichtung sich in
einem Umfeld befindet, in dem Strahlungen existieren.
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Daraus ergibt sich eine zeitliche und räumliche
Ungleichmäßigkeit des von den photovoltaischen Dioden
erzeugten Stroms
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Ziel der Erfindung ist es, die Gefahr der
Inhomogenität der injizierten Ströme entsprechend den verschiedenen
Punkten des Mosaiks zu beseitigen. Weiteres Ziel der
Erfindung ist es, diese Ströme auf einen annehmbaren Wert zu
begrenzen.
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Durch die Erfindung wird ein hybrider Lichtsensor
vorgeschlagen mit einem ersten Halbleitersubstrat, das
lichtempfindliche Elemente trägt, und mit einem zweiten
Halbleitersubstrat, das gegenüber jedem lichtempfindlichen
Element des ersten Substrats eine Leseschaltung enthält, um
den Strom aus dem lichtempfindlichen Element in ein
Ladungspaket umzuwandeln, wobei die Leseschaltung eine
Eingangsdiode bestehend aus einer Halbleiterzone, die durch
Diffusion im zweiten Substrat ausgebildet ist und die
entgegengesetzte Leitfähigkeit des Substrats besitzt, ein
Injektionsgate neben der Eingangsdiode und ein Speichergate neben
dem Injektionsgate, aber nicht neben der Eingangsdiode
enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Substrat
oberflächlich unter dem Injektionsgate mit Verunreinigungen
entgegengesetzten Typs des Substrats dotiert ist, daß die
Eingangsdiode an eine Vorspannungsquelle angeschlossen ist,
die positiv bezüglich des zweiten Substrats ist, wenn ein
zweites Substrat den Leitfähigkeitstyp P besitzt, und daß
das Injektionsgate an eine ausreichend negative
Vorspannungsquelle bezüglich des zweiten Substrats vom Typ P
angeschlossen ist, um an der Oberfläche des zweiten Substrats
unter dem Injektionsgate eine Akkumulierung von freien
Ladungsträgern des Basisleitfähigkeitstyps des zweiten
Substrats zu bewirken, wobei die Polarität der Potentiale
umgekehrt ist, wenn das zweite Substrat vom Typ N ist.
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Die Dotierung unter dem Injektionsgate ist geringer
als in der dotierten Zone, die mit dem Substrat die
Eingangsdiode bildet. Wenn beispielsweise die Dotierung in der
Eingangsdiode 1021 Atome je cm³ beträgt, kann die Dotierung in
der Zone unter dem Injektionsgate 10¹&sup6; Atome je cm³ betragen.
Die Zone unter dem Speichergate ist vom Typ P. Sie kann
jedoch oberflächlich eine Dotierung des Typs entgegengesetzt
zu dem des Substrats mit einer ähnlichen Konzentration
besitzen, wie sie unter dem Injektionsgate herrscht.
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Die hohe negative Spannung, die an das Injektionsgate
angelegt wird, liegt beispielsweise zwischen -5 und -10 Volt
bezüglich des zweiten Substrats. Sie reicht in jedem Fall
aus, um das Potential am Übergang zwischen dem Halbleiter
und der Zone unter dem Injektionsgate bis auf 0 Volt oder
auf einen Wert unter 0 Volt zu ziehen zu versuchen.
Nachfolgend wird erläutert, wie dies zu einer Immunität gegen eine
mangelnde zeitliche und räumliche Gleichmäßigkeit des von
den Elementen des Lichtsensors erzeugten Stroms führt.
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Das Potential der Eingangsdiode bezüglich des
Substrats stellt sich so ein, daß der photovoltaische Strom dem
Injektionsstrom unter das Injektionsgate gleich wird. Das
erste Substrat liegt vorzugsweise auf einer positiven
Spannung von mehreren Volt bezüglich des zweiten Substrats und
nahe beim Potential der Eingangsdiode. Das Potential des
ersten Substrats kann aber in manchen Fällen auch das
gleiche wie das des zweiten Substrats sein.
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Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung gegen aus
der nachfolgenden Beschreibung anhand der beiliegenden
Zeichnungen hervor.
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Figur 1 zeigt einen hybriden Lichtsensor gemäß dem
Stand der Technik.
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Figur 2 zeigt eine hybriden Lichtsensor gemäß der
Erfindung.
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Figur 3 zeigt ein Diagramm bezüglich der Verteilung
der Potentiale in dem Kanal unter dem Injektionsgate.
Der Lichtsensor gemäß Figur 2 ähnelt stark dem aus
Figur 1, aber unterscheidet sich von ihm in zwei
wesentlichen Punkten, nämlich einerseits durch eine dotierte Zone
unter dem Injektionsgate (Dotierung in Richtung einer
Verarmung an Ladungsträgern, d.h. in Richtung einer Umkehrung
des Leitfähigkeitstyps des Substrats) und andererseits
hinsichtlich der Werte der Vorspannungspotentiale, die an
verschiedene Punkte angelegt werden.
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Der Lichtsensor enthält also weiter ein erstes
Substrat S1 und ein zweites Substrat S2. In dem
dargestellten Beispiel handelt es sich um zwei Siliziumsubstrate vom
Typ P, aber sie könnten auch vom Typ N sein und könnten aus
anderen Materialien als Silizium hergestellt sein.
Beispielsweise kann das erste Substrat aus einem Halbleiter der
Klasse III-V (Galliumarsenid, Indiumphosphid) oder der
Klasse II-VI bestehen, insbesondere für die Herstellung von
Lichtsensoren im Infrarotbereich.
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Unter einem Substrat des Typs P versteht man
mindestens eine Schicht vom Typ P, in die durch Diffusion
einerseits ein photovoltaischer Übergang (erstes Substrat) und
andererseits ein Übergang eingebracht ist, der mit dem
Substrat eine Eingangsdiode eines Lesekreises (zweites
Substrat) bildet. Es ist aber klar, daß diese Schicht nicht
unbedingt das Hauptträgermaterial bilden muß, auf dem
einerseits die lichtempfindlichen Elemente und andererseits die
Leseschaltungen ausgebildet sind. Der eigentliche Träger
kann sehr wohl ein Isolierstoff sein, auf dem eine
Halbleiterschicht ausgebildet ist, die dann Substrat genannt wird.
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Wie in Figur 1 trägt das erste Substrat S1 die
lichtempfindlichen Elemente, die in Reihe oder in Matrixform
angeordnet sein können. Nur ein Element ist in Figur 2 aus
Gründen einfacherer Darstellung gezeigt. Dieses Element ist
schematisch durch eine photovoltaischen Übergang angedeutet,
der von einer Halbleiterzone 10 gebildet wird, welche
oberflächlich in das Substrat S1 durch Diffusion eingebracht ist
und die die entgegengesetzte Leitfähigkeit bezüglich des
Substrats besitzt.
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Das zweite Substrat S2 trägt die elementaren
Leseschaltungen entsprechend je einem lichtempfindlichen Element
des ersten Substrats S1. Nur eine Leseschaltung ist aus
Vereinfachungsgründen dargestellt.
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Die Leseschaltung des zweiten Substrats S2 enthält
eine Eingangsdiode, die von einer oberflächlich in das
Substrat S2 durch Diffusion eingebrachten Zone 12 mit
entgegengesetzter Leitfähigkeit hinsichtlich des Substrats
gebildet wird. Die Eingangsdiode des Substrats S2 ist
elektrisch an die photovoltaische Diode des Substrats S1
angeschlossen. Hier erfolgt die elektrische Verbindung
unmittelbar zwischen einem auf der Zone 10 ausgebildeten Kontakt und
einem auf der Zone 12 ausgebildeten Kontakt. Die Verbindung
ist symbolisch durch einen Leiterdraht angedeutet, kann aber
auch durch jedes andere Mittel, wie beispielsweise über
Kontaktkugeln erfolgen, die auf eine Zone 10 bzw. eine
dieser gegenüberliegende Zone 12 aufgelötet ist, wobei die
beiden Substrate einander gegenüberliegend angeordnet
werden.
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Die Leseschaltung des Substrats S2 enthält dann ein
Injektionsgate 14, das gegen das Substrat durch eine dünne
Isolierschicht isoliert ist und über einer Zone des
Substrats liegt, die der Zone 12 benachbart ist. Die Zone des
Substrats, über der das Injektionsgate liegt, ist eine Zone
22, die in derselben Richtung einer Abreicherung dotiert
ist, d.h. daß die Zone 22, wenn das Substrat vom Typ P ist,
Verunreinigungen enthält, die den Leitfähigkeitstyp umkehren
können, um eine schwach dotierte Zone des Typs N zu
erzeugen.
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In der Praxis wählt man eine Zone des Typs N&supmin; mit
einer Dotierung von etwa 10¹&sup6; Atomen je cm³.
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Neben dem Injektionsgate, aber nicht neben der
Eingangsdiode, folgt dann ein Speichergate 16, das über
einer Zone 18 des Substrats mit einer Dotierung liegt, die
im Prinzip der des Substrats gleicht, wobei diese Zone eine
Ladungsspeicherzone bildet.
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Die an die verschiedenen halbleitenden Zonen
angelegten Spannungen sind wie folgt:
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Die Bezugsspannung ist beispielsweise die des
Substrats S2 vom Typ P, das an elektrische Masse gelegt ist
(Potential null Volt).
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Man legt an das Injektionsgate eine stark negative
Spannung (zwischen -5 und -10 Volt), um am Übergang zwischen
dem Halbleiter und dem Isoliermaterial des Gates eine
Akkumulierung von positiven Ladungsträgern zu erzeugen (die von
Zonen kommen, die eine Dotierung vom Typ P&spplus; besitzen und
unweigerlich dem Kanal 22 benachbart sind sowie in der Figur
2 nicht zu sehen sind).
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Diese positiven Ladungsträger halten notwendigerweise
den Übergang auf den Potential Null Volt des Substrats S2
und bilden eine Schirm, der das Potential in dem Kanal
gegenüber Veränderungen des Potentials Vi des
Injektionsgates und insbesondere gegenüber Veränderungen von im
Isoliermaterial des Gates oder des Übergangs vorliegenden
Ladungen unempfindlich macht.
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Das Potential der Eingangsdiode 12 stellt sich in der
Nähe der Klemmspannung des Kanals ein. Diese Klemmspannung
ist die maximale Spannung in dem Kanal (das Potentialprofil
in dem Kanal besitzt ein positives Maximum zwischen dem
Potential Null Volt im Substrat unter dem Kanal und dem
Potential Null Volt am Übergang). Für diese maximale
Spannung ist der Kanal völlig von Ladungsträgern befreit.
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In einem Ausführungsbeispiel wählt man die
Klemmspannung bei etwa 4 Volt, sie kann aber auch einen anderen
Wert annehmen, z.B. 2 Volt. Man spannt dann das Substrat S1
auf ein leicht positives Potential vor, um die Vorspannung
der Photodioden im optimalen Betriebsbereich zu zentrieren.
Das Potential des ersten Substrats kann vorzugsweise ein
positives Potential von einigen Volt bezüglich des
Potentials des zweiten Substrats sein. In manchen Fällen ist diese
Vorspannung nicht nötig. Dann liegen die Substrate an Masse.
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Das Speichergate 16 seinerseits ist wie beim Stand
der Technik auf ein Potential Vs vorgespannt, das stark
positiv ist (z.B. +5 bis +10 Volt), um in der Speicherzone
18 eine ausreichend tiefe Potentialsenke zu erzeugen, um
Ladungen, die unter das Injektionsgate gelangen und von der
Zone 12 kommen, zu speichern.
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Die soeben beschriebene Struktur ermöglicht eine
Kontrolle des Kanalpotentials und macht es nicht nur
unabhängig von den Veränderungen der Spannung Vi des
Injektionsgates, sondern insbesondere von den veränderten
Ladungen des Isoliermaterials des Gates, im Gegensatz zum Stand
der Technik, bei dem für eine gegebene Gatespannung Vi das
Kanalpotential unter dem Gate stark abhängig von
verschiedenen Parametern und insbesondere der Ladung des
Isoliermaterials des Gates stark variierte.
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Hier bilden die freien positiven Ladungen, die sich
an der Oberfläche des Kanals sammeln (angezogen durch das
stark negative Potential des Gates) einen elektrostatischen
Schirm zwischen den Ladungen des Isoliermaterials und dem
Kanal. Da diese positiven Ladungen in direkter Verbindung
mit dem Substrat stehen, bleiben diese Ladungen auf dem
Potential des Substrats, so daß der Schirm ein konstantes
Potential besitzt.
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Die Vorrichtung beruht auf dem Vorhandensein der
Diffusionszone 22 vom Typ N, die im Kanal ein
Potentialprofil bildet, wie es in Figur 3 angedeutet ist, d.h. ein
Potential Null im Substrat, das dann positiv wird, wenn man
in den Kanal eintritt, und wieder zu Null wird an der
Oberfläche
des Kanals. Der Höchstwert des positiven Potentials
im Kanal hängt praktisch nicht von den Potentialen des Gates
und vom Vorliegen von Ladungen im Isoliermaterial ab.
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Die positiven Ladungsträger, die einen Schirm an der
Oberfläche des Kanals unter dem Gate bilden, stammen vom
Substrat mit P-Dotierung. Genauer betrachtet kommen sie an
der Oberfläche des Kanals über die Peripherie des Kanals an.
In der Praxis wird der Durchgang der Ladungen oft durch die
Tatsache erleichtert, daß der Kanal in einer Richtung (in
der Figur nicht sichtbar) durch dicke Oxidzonen begrenzt
wird, die überdotierte Zonen vom Typ P&spplus; bedecken. Diese Zonen
P&spplus; liegen unmittelbar neben dem Kanal und geben positive
Ladungen frei, die sehr leicht an die Oberfläche des Kanals
gelangen können, da sie vom negativen Potential des
Injektionsgates angezogen werden.
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Diese Injektionsstruktur besitzt zwei weitere
Vorteile: Der erste zusätzliche Vorteil liegt in der
Zuverlässigkeit der Vorrichtung. Die üblichen Injektionsgates
dieses Typs von Sensoren unterliegen nämlich einer Alterung
des aktiven Dielektrikums aufgrund der Injektion von
sogenannten "heißen" Ladungsträgern in das Dielektrikum unter
dem Injektionsgate. Dieses durch die heißen Elektronen
hervorgerufene Problem stört insbesondere bei einem
derartigen Infrarotsensor, da dieser den Betrieb bei niederen
Temperaturen begünstigt, die die Erzeugung von heißen
Ladungsträgern begünstigen.
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Erfindungsgemäß ist die Struktur praktisch nicht mehr
gegenüber derartigen Problemen empfindlich, da die
injizierten Ladungen sich nicht mehr an den Übergang zwischen
Substrat und Dielektrikum bewegen, sondern in die Tiefe des
Substrats. Die Elektronen, die in dem eingebetteten Kanal
fließen, haben praktisch nicht mehr die Möglichkeit, in das
Dielektrikum injiziert zu werden.
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Der zweite zusätzliche Vorteil hängt ebenfalls mit
dem Vorliegen des eingebetteten Kanals zusammen. In den
üblichen Injektionsstrukturen unterliegt der Injektionsstrom
Wechselwirkungen kapazitiver Art mit den elektrischen
Störstellen, die von der oben erwähnten Alterung oder dem
Strahleneinfluß in der Umgebung hervorgerufen werden. Diese
Wechselwirkungen beeinträchtigen die Qualität der Injektion
und vergrößern die Veränderungen von Vorspannungen der
Injektionsdioden.
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Erfindungsgemäß besitzt die Struktur eine
vollständige Immunität gegenüber diesen Wechselwirkungen, da die
injizierten Ladungen sich im Volumen bewegen und nicht mehr
die Möglichkeit haben, auf die Störstellen des Übergangs
zwischen Halbleitersubstrat und Dielektrikum zu reagieren.
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Alle obigen Erläuterungen im einzelnen gehen davon
aus, daß die Substrate vom Typ P sind. Wären sie vom Typ N,
dann müßte man nur alle erwähnten Leitfähigkeitstypen sowie
die Vorzeichen der erwähnten Potentialunterschiede umkehren.