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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Sensorelement zur Detektion von einfallendem
Licht oder anderer Strahlung.
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Die
meisten herkömmlichen
Bildsensoren funktionieren in der Weise, dass ein projiziertes Bild, welches
auf ein Feld von diskreten Bildsensorelementen projiziert wird,
erfasst wird. Die elektrische Antwort von jedem Bildsensorelement
ist proportional zu dem gesamten Licht, welches innerhalb der Grenzen
desselben auffällt.
Das elektrische Muster, welches durch das Feld von diskreten Bildsensorelementen
gehalten wird, wird durch aufeinanderfolgendes Abfragen der elektrischen
Antwort von jedem der Sensorelemente erhalten. Das resultierende
Sensorausgangssignal wird in digitale Darstellungen (z. B. Zahlen
im Bereich von 0 bis 255, oder jeder andere passende Bereich) der
einfallenden Lichtintensität umgewandelt.
Diese Zahlen können
verwendet werden, um ein Videobild oder ein Druckbild unmittelbar zusammenzubauen
(wobei die relative Intensität
des Sensorausgangs von jedem Bildsensorelement als einzelnes Bildelement
oder "Pixel" dargestellt wird) oder
kann, alternativ dazu, modifiziert werden unter Verwendung von herkömmlichen
Bildverarbeitungsalgorithmen, um eine Kantenverbesserung, ein Halbton-Descreening,
eine Bildkompression, eine Rauschminderung, oder andere bekannte
Bildverbesserungstechniken bereitzustellen. Eine herkömmlich angewandte
Bildverarbeitungstechnik erfordert beispielsweise, dass diejenigen
Zahlen, welche angrenzenden oder naheliegenden Sensorelementen in
dem Feld von Bildsensorelementen entsprechen, in einem gewichteten
Mittelwert kombiniert werden. Diese Technik ist äquivalent mit einer Faltung
mit einem Kern von Gewichtskoeffizienten. Häufig sind diese Gewichtsfaktoren
Gauss-Funktionen des Abstands vom Mittelpunkt des Kerns. Viele Bildverarbeitungsfunktionen
wie etwa Kantendetektion, Gausssche Pyramidenkompression, und Kantenverbesserung
wurden unter Verwendung von Gaussschen Kernen implementiert.
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Unglücklicherweise
erstrecken sich Gausssche Bildverarbeitungskerne häufig über eine
große Anzahl
von benachbarten Bildelementen. Wenn der Kern N-Elemente und das
Bild M-Bildelemente besitzt, erfordert demnach die Auswertung von
nur einer Faltung des Bildes mit einem Gaussschen Kern normalerweise
N × M
Multiplikationen und Additionen (es ist zu beachten, dass die Symmetrien
in Gaussschen Kernen die Anzahl der Berechnungen etwas reduzieren
können).
Mit einer herkömmlichen Abtastauflösung von
300 Punkten pro inch ist die typische Anzahl von Bildelementen für in Seitengroßes Bild
in der Größenordnung
von M = 10 Millionen Bildpunkte. Selbst eine einzige 5 × 5 Mittelung
von benachbarten Bildelementen würde
etwa 250 Millionen Multiplikationen und Additionen erfordern. Eine
derartige Rechenaufgabe kann mehrere Sekunden oder länger pro
Faltung erfordern, selbst mit hochleistungsfähigen und in Anzahl parallel
angeordneter Prozessoren. Die Notwendigkeit für Verarbeitungsgeschwindigkeit
ist besonders kritisch bei Echtzeitanwendungen, Anwendungen, welche
eine sich ändernde
Kerngröße verlangen,
oder Anwendungen, welche eine Nutzerrückmeldung verlangen.
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Eine
mögliche
Technik für
die Hochgeschwindigkeitsfaltung stützt sich auf eine sich variierende
Sensorgröße, da ein
gemessenes elektrisches Ausgangssignal einer Sensoranordnung in
inhärenter
Weise eine Faltung zwischen der Bildintensität und der räumlichen Abhängigkeit
der Sensorantwort darstellt. Wenn die räumliche Antwort (Sensorgröße) des
Detektors angepasst wird, um mit einem gewünschten Kern übereinzustimmen,
werden die erforderlichen Faltungen mit diesem Kern im Prinzip errechnet
mit einer Geschwindigkeit, welche vergleichbar ist mit der Auslesezeit
des Sensorfeldes. Tatsächlich
kann man durch Anpassen der Größe des Sensors
eine gewünschte
Faltung mit derselben Geschwindigkeit durchführen, mit welcher das Bild
gespeichert wird, ohne dass irgendwelche zusätzliche Rechnerverarbeitungszeit
notwendig ist.
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Herkömmliche
Sensorherstellungstechniken erlauben jedoch keine extern gesteuerten
Echtzeitänderungen
in der Größe der lichtempfindlichen
Bereiche von individuellen Sensorelementen. In herkömmlichen
Sensorfeldern (welche im Allgemeinen aus Schottky, p-n oder p-i-n
Sensorelementen aufgebaut sind) sind die lichtempfindlichen Bereiche
der individuellen Sensorelemente als diskrete, größenfeste und
mit benachbarten Sensorelementen nicht überlappende Elemente ausgelegt.
Das auf ein Bildelement auffallende Licht erzeugt eine elektrische
Antwort ausschließlich
in dem entsprechenden Element. Typischerweise ist die strahlungsempfindliche
Zone oder Bereich durch eine physische Musterung des aktiven Gebietes
von jedem Sensorelement festgelegt. Dementsprechend kann die Form,
die Größe oder
die Position des lichtempfindlichen, aktiven Gebiets eines Sensors
nach der Herstellung nicht geändert
werden. Die feste binäre
Ant wort von gemusterten Sensoren ist daher für viele Faltungsaufgaben zur
Bildverarbeitung nicht geeignet.
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EP 0 556 820 A1 beschreibt
einen Prozess zur Herstellung eines Feldes von Festkörper-Strahlungsdetektoren.
Der Prozess schließt
das Abscheiden von einer oder mehreren Schichten von Silizium-basierenden
Materialien auf einem Substrat und nachfolgendes Ablagern einer
Metallschicht, welche der Silizium-basierenden Substanz aufgeschichtet ist,
ein. Die Metallschicht ist in ein Feld von Metallschichtgebieten
ausgebildet und die Metallschicht wird nachfolgend verwendet als
eine Maske, um belichtete angrenzende, Silizium-basierende Substanzschichten
zu entfernen, wodurch ein Feld von Silizium-basierenden Substanzschichten
ausgebildet wird, welche ausgerichtet sind mit dem Feld von Metallschichten
zum Ausbilden eines Feldes von lichtempfindlichen Messeinrichtungen.
Der Prozess der vorliegenden Erfindung reduziert die Anzahl der
mikrolithografischen Schritte, welche verwendet werden zum Ausbilden
eines Feldes von geschichteten lichtempfindlichen Einrichtungen
aus amorphem Silizium.
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Street
R. A. et al: "Amorphous
silicon arrays develop a medical image new A-SI detectors for x-ray imaging
present new opportunities for diagnosis and treatment", IEEE Circuits and
Devices Magazine, Vol. 9, No. 4, 1. Juli 1993, pages 38–42, XP000441760. Dieses
Dokument beschreibt Felder von amorphem Silizium für medizinische
Anwendungen. Die elektrische Konfiguration eines matrizenadressierten
Detektorfeldes zeigt ein Bildelement, welches ein TFT und einen
Sensor beinhaltet. Der TFT und das Tor sind zwischen den Sensorelementen
angeordnet.
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Masahiro
Hayama: "Characteristics
of P-I junction amorphous silicon stripe-type photodiode array and
is application to contact image sensor", IEEE Transaction on Electron Devices,
Vol. 37, No. 5, 1. Mai 1990, pages 1271–1279, XP000132407. Dieses Dokument
vergleicht verschiedene Sandwichstrukturen von Fotodiodenfeldern,
welche einen hydrogenierten Film aus amorphem Silizium verwenden.
Weiterhin werden die Eigenschaften eines streifenförmigen Fotodiodenfeldes
mit P-I Sperrschicht aus amorphem Silizium diskutiert.
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Es
ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Lichtdetektionselement
in Bezug auf eine größere Flexibilität des lichtempfindlichen
aktiven Gebietes des Sensors nach der Her stellung zu verbessern. Dieses
Ziel wird durch die Bereitstellung eines Sensorelements gemäß Anspruch
1 und eines Sensorelementfeldes gemäß Anspruch 6 erreicht. Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
beschrieben.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen mit
Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt eine Draufsicht
eines einzelnen Strahlungssensorelements gemäß der vorliegenden Erfindung
und zeigt eine eigenleitende Schicht aus amorphem Silizium zur Detektion
von Licht, wobei die Schicht über
einer Gate-Elektrode angeordnet ist, welche vorgespannt sein kann,
um das lichtempfindliche Gebiet des Sensorelements zu steuern;
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2 ist ein Querschnitt im
Wesentlichen entlang der Linie 2-2 der 1;
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3 ist eine schematische
Ansicht eines einzelnen Sensorelements der 1 und 2 und
erläutert
qualitativ mit Konturlinien gleichen Stromes die räumliche
Antwort der Sammelelektrode auf Licht;
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4 ist eine schematische
Ansicht eines einzelnen Sensorelements der 1 und 2 und
verdeutlicht qualitativ mit Konturlinien gleichen Stroms die räumliche
Antwort der Sammelelektrode auf Licht, wenn entweder eine große positive
Vorspannung auf die Gate-Elektrode angewandt wird oder ein kleiner
Abschlussleitwert für
die Sammelelektrode gegeben ist;
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5 zeigt eine Draufsicht
eines Abschnitts eines Sensorfeldes mit einer Vielzahl von Strahlungssensorelementen
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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6 ist eine Querschnittsansicht
entlang der Linie 6-6 der 5;
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7 ist eine schematische
Ansicht des Sensorfeldes der 5 und 6 und ist ausgedehnt, um
sechs in einer Reihe angeordnete Messzentren zu zeigen;
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8 ist ein elektrisches Schemabild
und verdeutlicht einen äquivalenten
Schaltkreis eines Sensorfeldes gemäß der vorliegenden Erfindung;
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9 ist eine weitere Ausführungsform
eines zweidimensionalen Strahlungssensorfeldes gemäß der vorliegenden
Erfindung, wobei die verdeutlichte Ausführungsform einen Durchgangstransistor aufweist,
welcher unter der Sensorschicht angeordnet ist;
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10 ist eine Querschnittsansicht
entlang der Linie 10-10 der 9;
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11 ist eine schematische
Ansicht des Sensorfeldes der 9 und 10, welche vergrößert ist,
um 30 Messzentren in einem zweidimensionalen Feld zu verdeutlichen;
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12 ist eine weitere Ausführungsform
eines zweidimensionalen Sensorfeldes gemäß der vorliegenden Erfindung,
wobei die verdeutlichte Ausführungsform
einen Durchgangstransistor aufweist, welcher über der Sensorschicht angeordnet
ist; und
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13 ist eine Querschnittsansicht
entlang der Linie 13-13 der 12.
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Wie
mit Bezug auf 1 und 2 verdeutlicht, stellt die
vorliegende Erfindung ein Strahlungssensorelement 20 zum
Messen von einfallender Strahlung auf eine Detektionszone variabler
Größe bereit.
Im Gegensatz zu herkömmlichen
Detektoren mit festem empfindlichem Gebiet, wie etwa ladungsgekoppelte Einrichtungen
(charge coupled devices: CCD's), kann
die Detektionszone des Sensorelementes 20 in Bezug auf
die Größe elektronisch
gesteuert variiert werden. Beispielsweise kann das, für die Detektion von
auf das Sensorelement 20 einfallender Strahlung empfindliche
Gebiet variiert werden in einem Bereich von 0 bis 100% bezogen auf
das Oberflächengebiet des
Sensorelementes 20. In verschiedenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann die Empfindlichkeit für einfallende
Strahlung sogar größer als
100% sein, wobei Ladung auf benachbarte Elemente verteilt wird,
um überlappende
Detektionszonen bereitzustellen. Neben weiteren Anwendungen können diese
Sensoren verwendet werden, um Faltungen mit bestimmten Klassen von
nützlichen Bildkernen
zu implementieren, um einem Nutzer zu ermöglichen, eine wirkungsvolle
Kantendetektion, Kantenverbesserung, oder andere nützliche
Bildverarbeitungsfunktionen parallel mit hoher Geschwindigkeit durchzuführen.
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Die
Herstellung des Sensorelements 20 beginnt mit der Bereitstellung
eines Substrats 10 aus Glas, Silizium oder einem anderen
passenden Substrat, auf welchem eine Gate-Elektrode 11 abgeschieden wird
(Mo/Cr oder andere herkömmliche
Leiter können
als die Gate-Elektrode verwendet werden). Die Gate-Elektrode ist
elektrisch verbunden mit dem Kontakt 8, welcher aus Aluminium
oder anderem leitendem Material hergestellt ist. Eine dielektrische Schicht 12 (typischerweise
Siliziumnitrid oder Siliziumdioxid) wird auf der Oberseite der Gate-Elektrode 11 abgeschieden,
gefolgt durch die Abscheidung einer aktiven Schicht 13 aus
polykristallinem Silizium oder amorphem Silizium (möglicherweise
Phosphor-dotiert). In der verdeutlichten Ausführungsform stellt die aktive
Schicht 13 funktionsmäßig eine
Akkumulationsschicht bereit. Über
den größten Teil
dieser aktiven Schicht 13 wird eine intrinsische Schicht 16 aus
amorphem Silizium abgeschieden, gefolgt durch die Abscheidung einer
Schicht 9 vom p-Typ aus amorphem Silizium vom p-Typ (z.
B. Bor-dotiert). Da die Schicht 9 eine Schicht vom p-Typ
ist, bildet die Kombination der Schicht 9, der intrinsischen
Schicht 16 und der aktiven Schicht 13 zusammen
einen p-i-n-Detektor aus, mit einem strahlungsempfindlichen Gebiet,
welches die Erzeugung von Löchern und
Elektronen in der intrinsischen Schicht 16 in Reaktion
auf einfallende Strahlung erlaubt, wobei ultraviolette, sichtbare,
Infrarotlicht oder andere energetische Strahlung eingeschlossen
ist. Um die Transmission von Strahlung zu der intrinsischen Schicht 16 zu ermöglichen,
während
der physikalische Schutz des Sensorelements 20 verbessert
wird, wird die Bor-dotierte Schicht 9 vom p-Typ optionalerweise
mit einem transparenten Kontakt 17 (z. B. Indiumzinnoxid)
abgedeckt und mit einer transparenten Passivierungsschicht 18 bedeckt,
welche aus einer passenden dielektrischen Schicht wie etwa Siliziumoxynitrid
für Schutzzwecke
hergestellt wird.
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Um
eine elektrische Verbindung mit dem transparenten Kontakt 17 bereitzustellen,
wird eine Aussparung durch die Passivierungsschicht 18 ausgeschnitten.
Eine Oberseitenelektrode 19 (im Allgemeinen bestehend aus
Aluminium oder einem anderen leitenden Material) wird in der Aussparung
abgeschieden, um eine elektrische Verbindung mit dem transparenten
Kontakt 17 und den darunterliegenden Schichten 9, 16 und 13 herzustellen.
Zusätzlich
wird eine Aussparung angrenzend an die aktive Schicht 13 ausge schnitten
und eine Sammelelektrode 15 (häufig hergestellt aus n+ amorphem
Silizium, Aluminium oder einem anderen passenden leitenden Material)
abgeschieden, um einen Ohm'schen
Kontakt mit der aktiven Schicht 13 herzustellen.
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Im
Betrieb wird eine positive Spannung an die Gate-Elektrode 11 angelegt über den
Kontakt 8, um ein elektrisches Feld in der aktiven Schicht 13 zu erzeugen,
welches dessen Flächenwiderstand
R ändert.
Eine negative Vorspannung wird gleichzeitig an die Oberseitenelektrode 19 angelegt,
welche in ihrer Wirkung einen umgekehrt vorgespannten p-i-n-Sensor
aus den aufeinanderfolgend angeordneten Schichten 9, 16 und 13 erzeugt.
Eine Beleuchtung des Sensorelements 20 mit einfallender
Strahlung bewirkt die Ausbildung von Elektronen und Löchern in
der intrinsischen Schicht 16. Diese Elektronen und Löcher trennen
sich in dem elektrischen Feld zwischen der Gate-Elektrode 11 und
dem transparenten Oberseitenkontakt 17 des Sensors 20,
wobei die Löcher
sich auf die Schicht 9 vom p-Typ hin bewegen, während die
Elektronen zu der aktiven Schicht 13 hin driften. Der Elektronenstrom
fließt
durch die aktive Schicht 13 zu der Sammelelektrode 15,
wobei die Richtung und Anzahl der Elektronen, welche zu der Sammelelektrode 15 driften
von dem Flächenwiderstand
R der intrinsischen Schicht 16, dem Abschlussleitwert G
der Sammelelektrode 15 und der Kapazität pro Flächeneinheit C des Sensorelements 20 abhängt.
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Als
Beispiel für
die Änderung
der Detektionszone des Sensors 20 wird der Betrieb des
Sensorelements 20 bei der Beleuchtung durch eine abgetastete
kontinuierliche Punktquelle und einer jeweils niedrigen und hohen
Vorspannung, welche an die Gate-Elektrode 11 angelegt ist,
betrachtet. Wenn die positive Vorspannung an der Gate-Elektrode 11 gering
ist und die Abschlussimpedanz klein ist, verglichen mit dem Flächenwiderstand
R der aktiven Schicht 13, wird der Beitrag des fotogenerierten
Stromes, welcher zu der Sammelelektrode 15 in Abhängigkeit
von der Position der Punktlichtquelle fließt, die Konturlinien gleichen
Stroms liefern, wie sie qualitativ in 3 gezeigt
sind. Wenn der Flächenwiderstand R
der aktiven Schicht 13 verringert wird durch die Erhöhung der
positiven Vorspannung an der Gate-Elektrode 11 und die
Abschlussleitwert G konstant gehalten wird, wird das empfindliche
Gebiet des Sensorelements 20 sich ausdehnen, wie in 4 gezeigt.
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Die
Antwortfunktion des Sensorelements 20 ändert sich sowohl mit der Zeit
als auch mit der Position. Die erzeugte Spannung, welche durch die
einfallende Strahlung induziert wird, breitet sich von dem Punkt
der Erzeugung gemäß einer
Gaussschen Verteilungsfunktion mit der Breite (t/RC)1/2 aus,
wobei t die nach der Erzeugung abgelaufene Zeit, R der seitliche
Flächenwiderstand
in der intrinsischen Schicht 16 des Sensorelements 20 und
C die Kapazität
pro Flächeneinheit
des Sensorelements 20 ist. Für kleine Zeiten ist die Antwortfunktion
des Sensorelements 20 um die Sammelelektrode herum ausgebreitet
(ähnlich
zu der 3), während zu
späteren
Zeitpunkten sich diese vergrößert, um
einen größeren Teil
des aktiven Gebietes der Einrichtung zu umfassen, wie in 4 gezeigt.
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Der
Fachmann wird erkennen, dass es selbstverständlich möglich ist, die Reihenfolge
der Schichten vom p-Typ und der Schichten vom n-Typ zu vertauschen
und so einen n-i-p-Sensor
aufzubauen anstelle des beschriebenen p-i-n-Sensors. Mit geeigneten Änderungen
in der Vorspannung ist der Betrieb einer derart umgekehrten Einrichtung ähnlich zu der
vorstehend beschriebenen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, welche für die Bilderzeugung günstig ist, wird
in den 5 und 6 verdeutlicht. Aufgebaut
aus einer Vielzahl von Sensorelementen ähnlich zu demjenigen, welches
vorstehend in Verbindung mit 1 und 2 beschrieben wurde, schließt ein Sensorfeld 29 eine
Vielzahl von Sensorelementen ein, welche in einem linearen Feld
auf einem Substrat 30 angeordnet sind. Die Herstellung
und der Betrieb des Sensorfeldes 29 sind genauso wie vorstehend
beschrieben in Zusammenhang mit 1 und 2. Eine Gate-Elektrode 31 ist
auf dem Substrat 30 hergestellt und auf der Gate-Elektrode 31 ist
eine dielektrische Schicht 32 aufgeschichtet. Eine aktive
Schicht 33 (zusammengesetzt aus intrinsischem amorphem
Silizium vom n-Typ oder polykristallinem Silizium) wird auf der Oberseite
der dielektrischen Schicht 32 abgelagert. Eine intrinsische
Schicht 36 wird über
die aktive Schicht 33 abgelagert, um ein Gebiet auszubilden, welches
empfindlich für
einfallende Strahlung ist. Die intrinsische Schicht 36 ist
jeweils mit einer Schicht 40 vom p-Typ (typischerweise
Bor-dotiertes amorphes Silizium), einem transparenten Kontakt 37 und
einer Passivierungsschicht 38 abgedeckt, welche aus einem
passenden dielektrischen Material wie etwa Siliziumoxidnitrid hergestellt
wird. Um eine jeweilige elektrische Verbindung zu dem transparenten
Kontakt 37 und der aktiven Schicht 33 herzustellen,
werden Aussparungen durch die Passivierungsschicht 38 angelegt.
Oberseitenelektroden 39 werden in den oberen Aussparungen
abgeschieden, um eine elektrische Verbindung mit dem transparenten
Kontakt 37 und der intrinsischen Schicht 36 zu
schaffen. Abschließend
werden, um eine für
einen p-i-n-Detektor notwendige elektrische Schaltung bereitzustellen, Sammelelektroden 35 in
den unteren Aussparungen abgeschieden, um eine Ohm'sche Verbindung mit der
aktiven Schicht 33 herzustellen.
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Die
durchgehenden Linien 41 in 7 zeigen
qualitativ die Antwort gleichen Stromes einer Sammelelektrode 35 als
eine Funktion der Position einer Beleuchtungspunktquelle mit einer
kleinen Vorspannung an der Gate-Elektrode 31, welche zu
einem großen
seitlichen Flächenwiderstand
R in der aktiven Schicht 33 führt. Im Gegensatz dazu wird
das empfindliche Gebiet für
jedes Sensorelement ausgedehnt, wenn der Flächenwiderstand R durch Zunahme
der positiven Vorspannung an der Gate-Elektrode 31 vermindert
wird, und/oder die Leitwert G der Sammelelektrode gleichzeitig abnimmt.
Wenn gewünscht,
kann der Flächenwiderstand
R so verringert werden, dass eine Überlappung der Konturlinien
gleichen Stroms zwischen benachbarten Sensorelementen ermöglicht wird,
wodurch eine Stromaufteilung zwischen jenen Sensorelementen für jedwelche
Beleuchtung an dieser Position angezeigt wird. Dies wird in 7 qualitativ durch die gestrichelten
Linien 42 angezeigt, welche um eine weitere Sammelelektrode
zentriert sind.
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Vorteilhafterweise
erlaubt die Fähigkeit,
die Zone der Empfindlichkeit für
Strahlungsdetektion gemäß der vorliegenden
Erfindung durch Änderung
der Vorspannung an der Gate-Elektrode 31 zu verändern, erhebliche
Geschwindigkeitsverbesserungen bei bestimmten Bildverarbeitungsalgorithmen.
Die Messung von Strömen,
welche durch ein Feld von Sammelelektroden 35 gesammelt
werden, stellt implizit die Faltung der Bildintensität als eine
Funktion der Position bereit, wobei ein durch Spannung anpassbarer
Kern durch die Strahlungsdetektionszone oder -gebiet gegeben ist.
Eine vom Nutzer festgelegte Modifikation des Kernes (durch geeignete Änderung
der Vorspannung an der Gate-Elektrode 31) ermöglicht es,
die stattfindende Bildfaltung schnell zu ändern, wodurch es möglich wird,
zwischen Bildkompression, Kantenverbesserung oder anderen gewünschten
Bildverbesserungstechniken zu schalten. Zusätzlich und im Gegensatz zu
der herkömmlicheren
festgelegten Geometrie von Lichtdetektoren, welche scharf begrenzte
Detektionszonen aufweisen, fällt
das strahlungsempfindliche Gebiet langsam auf 0 ab, was vorteilhafterweise Überhöhungen bei
hoher räumlicher
Frequenz eines ab rupt gemusterten Detektors ausschließt. Weiterhin
bedingt die kombinierte Empfindlichkeit der Sensorelemente einen
nahezu 100%igen Füllfaktor,
was die Detektorantwort maximiert.
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Die
zeitabhängigen
Eigenschaften des Sensorfeldes 29 stellen eine alternative
Möglichkeit
für die
Bildmanipulation dar. Die in Reaktion auf einfallendes Licht erzeugte
Spannung breitet sich von deren Erzeugungspunkt gemäß einer
Gaussschen Verteilungsfunktion der Breite (t/RC)1/2 aus,
wobei t die abgelaufene Zeitdauer nach der Erzeugung, R der vorstehend
festgelegte seitliche Flächenwiderstand der
intrinsischen Schicht 36, und C die Kapazität pro Flächeneinheit
des Sensorfeldes 29 ist. Daher kann an den Punkten, welche
durch die Sammelelektroden 35 festgelegt sind, eine Faltung
des Bildes mit Gaussschen Kernen von variabler Breite erreicht werden.
Das Bild wird kurzzeitig auf das Sensorfeld belichtet, während die
Spannung an den Abtastelektroden zeitlich gemessen wird. Für jede Abtastzeit
repräsentieren
die Daten eine Faltung des Bildes mit einem Kern bestimmter Größe. Die Änderung
der auf das Gate 31 angewandten Vorspannung wird ebenso den
mit dem Bild gefalteten Kern variieren.
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Alternativ
dazu kann der Strom durch die Abtastelektroden, welche mit einer
niedrigen Impedanz abgeschlossen sind, gemessen und zu einer Faltung des
Bildes in Bezug gesetzt werden. Dieses zweite Verfahren bewirkt
eine zerstörende
Auslesung der Bildladung, so dass die Bildladung wieder aufgebaut werden
muss, wenn eine Vielzahl von Faltungen erhalten werden soll. In
allen Fällen
kann die Bildladung durch Masseschluss der Sammelelektrode 35 entladen
werden, sobald die gewünschten
Faltungen erhalten worden sind.
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Um
die Wirkungsweise des Sensorfeldes 29 besser zu verstehen,
wird in 8 eine äquivalente Schaltung
für das
Sensorfeld 29 der 5 und 6 gezeigt. Die äquivalente
Schaltung schließt
eine Diode 21, einen Kondensator 22 mit dem Wert
C und eine Ladungsquelle 27 ein, welche proportional zu
dem Lichtfluss ist, welcher ab der letzten Sensorentladung integriert
wurde. Die Ladung baut sich auf dem Kondensator 22 auf.
Der Sensor wird ausgelesen durch Auswahl des Gates 24 des
entsprechenden Durchgangstransistors 26. Dies führt die
Ladung durch den Widerstand 25, welcher den Betriebswiderstand
des Transistors und/oder die Abschlussimpedanz G der Sammelelektroden
darstellt, nach außen.
Die Ladung wird zu der Readout-Elektronik (nicht gezeigt) geführt. Die
verschiedenen isolierten Sensorelemente sind mit benachbarten Sensorelementen
durch die Elektronenakkumulation in der aktiven Schicht 33 gekoppelt,
welche durch den idealen Transistor 28 und einen Widerstand 23 repräsentiert
wird. Der Kondensator 22 weist den Wert C auf, welcher
ungefähr gleich
der Kapazität
pro Flächeneinheit
des Sensors ist. Wenn sich auf einem bestimmten Sensorelement Ladung
aufbaut, fließt
diese teilweise zu den benachbarten Einrichtungen durch den Transistor 28 und den
Widerstand 23. Wenn die an das Gate des Transistors 28 angelegte
Vorspannung gering ist und die Impedanz 25 groß ist, ist
der Widerstand 23 groß und es
fließt
wenig Ladung zu den benachbarten Sensorelementen in dem Sensorfeld 29.
Wenn jedoch eine große
Vorspannung an das Gate des Transistors 28 angelegt wird
oder eine geringer Leitwert 25 (hoher Widerstand) vorliegt,
resultiert dies in einer signifikanten Ladungsaufteilung zwischen
den Sensorelementen.
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Die 9 und 10 verdeutlichen ein zweidimensionales
Sensorfeld 90 mit Strahlungssensor-Detektionszonen variabler
Größe gemäß der vorliegenden
Erfindung. Wie am besten in dem Querschnitt der 10 zu sehen, schließt das Geld 90 einen
Feldeffekt-Durchgangstransistor 68 ein,
welcher auf einem Substrat 50 abgeschieden ist. Der Durchgangstransistor
ist aus einem Gate 51, einer Drain 53, einer Source 54 und
einer Tunnelschicht 62 aufgebaut, welche die Drain 53 und
die Source 54 elektrisch verbindet, wenn das Gate 51 ein
passendes elektrisches Feld erzeugt. Die Drain 53 und die
Source 54 sind aus leitenden Materialien wie etwa n+ amorphem
Silizium (z. B. phosphordotiert) oder Chrom aufgebaut, während die
Tunnelschicht 62 aus intrinsischem Halbleitermaterial,
wie etwa amorphem Silizium, aufgebaut ist. Das Gate 51 des
Durchgangstransistors 68 ist von der Drain 53 und
der Source 54 durch eine passende dielektrische Schicht 52 (z. B.
Siliziumnitrid) getrennt.
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Der
Durchgangstransistor 68 ist mit einer dielektrischen Schicht 115,
einer Gate-Schicht 56, wie etwa Titan/Wolfram, und einer
dielektrischen Siliziumoxynitridschicht 57 bedeckt. Zugang
zu der Drain 53 durch die Schichten 57, 56 und 115 wird
durch eine Aussparung erhalten, in welche eine Schicht 58 vom
n-Typ (hergestellt z. B. aus n+ amorphem Silizium) abgeschieden
wird. Wie aus der Figur offenbart, ist diese Schicht 58 vom
n-Typ ebenso zusätzlich über der
Schicht 57 abgeschieden. Auf der Oberseite dieser Schicht 58 sind
aufeinanderfolgend eine Schicht 59, bestehend aus intrinsichem
amorphem Silizium und eine Schicht 65 vom p-Typ abgeschieden.
Eine transparente leitende Schicht 60, wie etwa Indiumzinnoxid,
ist über
dieser Schicht 65 vom p-Typ abgeschieden und ein leitendes
Metallgitter ist in elektrischer Verbindung mit der transparenten
leitenden Schicht 60 angeordnet. Das Metallgitter 61 kann als
Nichtabdeckung angeordnet sein.
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Die
Antwort des Feldes 90 auf einfallende Strahlung ist ähnlich mit
der des vorstehend beschriebenen Sensorfeldes 29 der 5 und 6. Das Metallgitter 61 ist umgekehrt
vorgespannt, so dass die Schichten 65, 59 und 58 zusammen
einen p-i-n-Detektor ausbilden. Die Beleuchtung des Sensorfeldes 90 mit
einfallender Strahlung verursacht die Ausbildung von Elektronen
und Löchern
in der intrinsischen Schicht 59. Die Elektronen driften
zu der Schicht 58 hin und verbleiben dort, bis der Durchgangstransistor 68 aktiviert
wird, um die gespeicherte Ladung durch Übertragung der Ladung entlang
der Datenleitungen 64, welche am besten in 9 zu sehen sind, abzutasten, wobei die
Datenleitungen mit der Source 54 des Transistors 68 verbunden
sind.
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Die
elektrische Antwort der Sammelelektrode 58 des Sensorfeldes 90 auf
einfallende Strahlung ist qualitativ in der 11 gezeigt. Für kleine positive Vorspannungen
am dem Gate 56 ist der seitliche Flächenwiderstand R der Schicht 58 groß. In diesem
Fall und/oder wenn der Durchgangstransistor 68 mit hohen
Impedanzen abgeschlossen ist, wird die Sensorantwort konstanten
Stromes auf eine räumlich
abgetastete Punktlichtquelle durch die durchgehenden Linien 111 in
der 11 angezeigt. Wenn
eine große positive
Vorspannung auf die Sensor-Gate-Elektrode 56 angewandt
wird, dehnt sich das Lichtempfindlichkeitsmuster des Fühlers 90,
welches um jede Drain 53 jeweils zentriert ist, deutlich
aus und überlappt
benachbarte Sensorgebiete, wie durch die gestrichelten Linien 112 in 11 gezeigt.
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Im
Gegensatz zu den vorstehend erörterten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ist die in 12 und 13 verdeutlichte Ausführungsform ein
zweidimensionales variables Sensorfeld 95 mit Durchgangstransistoren 84,
welche auf der Oberseite des Sensorfeldes angeordnet sind anstelle
von angrenzend an das Substrat. Wie am besten mit Bezug auf 13 sichtbar, wirkt die amorphe
Siliziumschicht 73 von n-Typ als eine Sammelelektrode,
wobei die Datenauslesung durch eine Übertragung von Ladung von der
Drain 81 zu der Source 76 durch einen Halbleitertunnel 86 erreicht
wird. Die Source 76 und die Drain 81 sind aus
n+ amorphen Silizium/Chromschichten hergestellt und der Tunnel 86 ist aus
einem halbleitenden Material hergestellt. Die Gate-Schicht 73 vom
n-Typ ist von der Drain 81, dem Tunnel 86 und
der Source 76 durch eine dielektrische Schicht 74 getrennt.
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Unterhalb
des Gates 73 des Durchgangstransistors 84 ist
jeweils eine intrinsische Halbleiterschicht 72, eine Halbleiterschicht 82 vom
p-Typ, ein optionales transparentes Elektrodenmaterial 71 wie etwa
Cermet (wenn der Widerstand der Schicht 82 vom p-Typ gering
ist, wird das Material 71 normalerweise nicht benötigt), und
ein Substrat 70 angeordnet. Für den physikalischen Schutz
ist das Sensorfeld 95 mit einer zusätzlichen dielektrischen Schicht 79 abgedeckt.
Weiterhin kann eine gemusterte Lichtabdeckung 78 angewandt
werden, um die auf den Durchgangstransistor 84 einfallende
Strahlung zu begrenzen.
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Im
Betrieb erzeugt die Strahlung, welche durch die transparente dielektrische
Schicht 79 geführt
wird, Ladungen in der intrinsischen Halbleiterschicht 72.
Eine positive Vorspannung, welche an das Gate 73 des Durchgangstransistors
angewandt wird, zieht die in der Schicht 72 erzeugten Elektronen zu
der aktiven Gate-Schicht 73. Diejenigen Elektronen in der
aktiven Gate-Schicht 73 nahe der Tunnelschicht 86 ändern den
Strom, welcher zwischen der Source 76 und der Drain 81 durchläuft, wobei
der resultierende Strom in Bezug steht zu der Anzahl der in dem
Gate 73 erzeugten Elektronen. Wenn die Ladungsmessung abgeschlossen
ist, wird die von Strahlung erzeugte Ladung durch eine Vorwärtsvorspannung
der Diode entfernt, um die erzeugte Ladung in Vorbereitung für eine neue
Belichtung mit einfallender Strahlung abzugeben. Wie der Fachmann
würdigen
wird, kann man die frühere
Ladung durch Masseschluss der Sammelelektroden nicht entfernen,
wie in der mit Bezug auf 9 und 10 erörterten Ausführungsform.
Von allen erörterten
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ergibt die durch den Sensor 95 dargestellte
Ausführungsform
die geringste Störung
auf der Ladungsausbreitung in der Sensorschicht und erlaubt die
Möglichkeit, eine
Verstärkung
in den Messprozess einzubauen. Dementsprechend könnte die mögliche Empfindlichkeit dieser
Ausführungsform
diejenige der früheren Ausführungsformen übersteigen.