Sensori CMOS a pixel attivi (APS). Tutto quello che c’è da sapere

Un sensore di radiazioni è un dispositivo in grado di rilevare le particelle ionizzanti in arrivo (come ad esempio fotoni, particelle β, gamma o alfa) e di fornire all’utente informazioni come l’energia, l’intensità o la posizione della radiazione.

Tra i diversi approcci alla rivelazione delle radiazioni, uno dei più studiati negli ultimi decenni è l’utilizzo di rivelatori a semiconduttore a stato solido, grazie alla continua evoluzione dell’industria dei semiconduttori. Esistono diverse famiglie di rivelatori basati su substrati di semiconduttori (Charge Coupled Devices CCD, Silicon Drift Detector SDD, fotodiodi PIN, ecc. ), ma l’ampia diffusione delle tecnologie CMOS nell’elettronica di consumo ha reso molto attraenti tutte le implementazioni di questo tipo di tecnologia nel campo dei rivelatori di radiazioni; la crescente diffusione dei sensori di imaging CMOS è, ad esempio, la conseguenza più evidente di questo fatto.

Questa pagina è incentrata sull’implementazione più comune di un sensore di radiazioni nelle tecnologie CMOS, il sensore a pixel attivi.

L’elemento di rilevamento dei sensori a pixel attivi

L’elemento principale dei sensori Active Pixel è un fotodiodo a polarizzazione inversa (vedi Figura 1 e Figura 2). Quando la radiazione in ingresso con energia prossima o superiore al band gap del silicio attraversa la regione impoverita della giunzione p-n, alcuni elettroni possono saltare dalla banda di valenza a quella di conduzione con la creazione di coppie elettrone-buco; il campo elettrico della giunzione separa le coppie elettrone-buco generate e le raccoglie agli elettrodi del fotodiodo.

La generazione delle coppie elettrone-buco è regolata dalla relazione approssimata: n = E / Ebg dove n è il numero di coppie generate, E è l’energia rilasciata dalla particella ed Ebg è l’energia di band-gap del silicio. In altre parole, la radiazione genera una fotocorrente attraverso il fotodiodo che può essere misurata direttamente o come caduta di tensione ai capi della giunzione. Tuttavia, la fotocorrente scarica il fotodiodo riducendo la regione impoverita e di conseguenza la sensibilità del rivelatore; esistono due tecniche per evitare questo fenomeno:

mantenere continuamente la polarizzazione inversa; in questo caso, la tensione ai capi del fotodiodo è sempre la stessa e, per rilevare la radiazione, bisogna misurare la fotocorrente;
ricaricare periodicamente il fotodiodo applicando una polarizzazione inversa per un determinato tempo e lasciando il fotodiodo a riposo per il resto del tempo. La caduta di tensione tra l’inizio e la fine dell’intervallo di tempo in cui la giunzione è lasciata a riposo sarà proporzionale all’integrale di tutta la carica generata dalla radiazione durante questo periodo; per questo motivo tale intervallo di tempo viene solitamente chiamato tempo di integrazione.

Quest’ultimo approccio è il più comune in tutti i sensori disposti come una matrice densa di rivelatori perché richiede meno elettronica vicino a ciascun fotodiodo.

Per raccogliere la massima quantità di carica generata, l’approccio più comune è quello di utilizzare un substrato p in cui è realizzato un piccolo pozzetto n, oppure un substrato p++ ma con uno strato p epitassiale in cui è realizzato il pozzetto n (vedi Figura 1). In entrambi i casi, l’n-well raccoglie gli elettroni mentre la buca viene persa attraverso l’anodo posto al potenziale di terra.

Il vantaggio di questo approccio è che la mobilità degli elettroni è superiore a quella delle buche e la raccolta di carica è più rapida. La regione esaurita, in un sensore CMOS convenzionale, è molto stretta a causa della tensione più bassa per cui questa tecnologia è stata originariamente sviluppata; di conseguenza, la carica non raggiunge il catodo per deriva, ma piuttosto per diffusione termica. In questo scenario, è fondamentale la vita media dei portatori nello strato p.

Questo fatto stabilisce una differenza fondamentale nel comportamento delle due diverse soluzioni tecnologiche: nel caso dell’epi-layer lo spessore sensibile è limitato dallo spessore del p-epi perché nel p++ i portatori sono interessati da una ricombinazione più rapida.

Figura 1 Due diverse implementazioni tecnologiche per il fotodiodo in tecnologia CMOS, con (a) e senza (b) strato epitassiale

L’architettura convenzionale dei sensori a pixel attivi

La Figura 2 (a) mostra l’architettura convenzionale di un APS a tre transistor. Il fotodiodo è collegato alla tensione Vrst attraverso il transistor Mrst per la polarizzazione inversa; spegnendo questo transistor il fotodiodo viene lasciato a riposo. Dopo un determinato tempo di integrazione, accendendo Msel e imponendo una corrente costante attraverso i transistor Msf e Msel, la tensione al catodo del fotodiodo può essere letta all’uscita del pixel.

Figura 2 (a) Schema elettrico di un APS standard a tre transistor e (b) una semplice matrice di 3×3 pixel.

In un sensore a pixel, sono presenti un gran numero di strutture sopra indicate, solitamente disposte in una matrice rettangolare (nella Figura 2 (b) è riportato un esempio di matrice 3×3). La lettura di ogni pixel viene eseguita riga per riga accendendo tutti i Msel della stessa riga e imponendo una corrente su ogni riga della colonna; alla fine di ogni colonna può essere letta la tensione del pixel corrispondente della riga selezionata. Il reset può essere distribuito riga per riga o comune a tutti i pixel.

La Figura 3 mostra una tipica tensione di uscita di un pixel APS attraversato da una particella β: durante l’intervallo di reset il pixel viene ricaricato alla tensione di reset ma, a causa della capacità parassita tra il gate e la sorgente di Mrst, dopo questa operazione si verifica una piccola caduta di tensione. Durante il tempo di integrazione, in condizioni di buio, la tensione rimane pressoché costante, a meno che non si verifichino perdite dovute alla corrente di dispersione del fotodiodo, ma, se una particella o un fotone attraversa il pixel, la carica generata provoca una rapida caduta di tensione. Il segnale di ciascun pixel viene generalmente misurato come differenza tra il valore iniziale, all’inizio del tempo di integrazione, e il valore finale.