Sensores de píxel activo CMOS (APS): qué son y cómo funcionan

Un sensor de radiación es un dispositivo capaz de detectar partículas ionizantes incidentes (como, por ejemplo, fotones, partículas β, gamma o alfa). Proporciona al usuario información como la energía, la intensidad o la posición de la radiación. 

Entre los distintos enfoques de la detección de radiación, uno de los más estudiados en las últimas décadas es el uso de detectores de estado sólido basados en semiconductores. Esto se debe a la evolución continua de la industria de los semiconductores. Existen diferentes familias de detectores basados en sustratos semiconductores (dispositivos de carga acoplada CCD, detectores de deriva de silicio SDD, fotodiodos PIN, etc. ). Aun así, las tecnologías CMOS se han difundido ampliamente en la electrónica de consumo. Esto ha hecho muy atractivas todas las implementaciones de este tipo de tecnología en el campo de los detectores de radiación. La creciente difusión de los sensores de imagen CMOS es, por ejemplo, la consecuencia más evidente de ello.

Esta página se centra en la implementación más común de un sensor de radiación en tecnologías CMOS. Se trata del sensor de píxel activo.

El elemento sensor de los sensores de píxel activo

El elemento principal de los sensores de píxel activo es un fotodiodo polarizado en inversa (véanse la Figura 1 y la Figura 2). Cuando una radiación incidente con energía cercana o superior a la banda prohibida del silicio atraviesa la región de vaciamiento de la unión p-n, algunos electrones pueden saltar de la banda de valencia a la de conducción, y así se crean pares electrón-hueco. El campo eléctrico de la unión separa los pares electrón-hueco generados y los recoge en los electrodos del fotodiodo.

La generación de los pares electrón-hueco se rige por la relación aproximada n = E / w. Aquí, n es el número de pares generados y E es la energía liberada por la partícula. Por su parte, w es la energía media necesaria para crear un par en el silicio, unos 3,6 eV, aproximadamente el triple de su banda prohibida de 1,12 eV. En otras palabras, la radiación genera una fotocorriente a través del fotodiodo. Esta puede medirse directamente o como una caída de tensión en los extremos de la unión. Sin embargo, la fotocorriente descarga el fotodiodo. Reduce así la región de vaciamiento y, en consecuencia, la sensibilidad del detector. Existen dos técnicas para evitar este fenómeno: 

• mantener de forma continua la polarización inversa. En este caso, la tensión en los extremos del fotodiodo es siempre la misma y, para detectar la radiación, hay que medir la fotocorriente;
• recargar periódicamente el fotodiodo aplicando una polarización inversa durante un tiempo determinado y dejándolo flotante el resto del tiempo. La caída de tensión entre el principio y el final del intervalo en que la unión permanece flotante será proporcional a la integral de toda la carga generada por la radiación durante ese tiempo. Por este motivo, dicho intervalo suele llamarse tiempo de integración. 

Este último enfoque es el más habitual en todos los sensores dispuestos como una matriz densa de detectores. El motivo es que requiere menos electrónica junto a cada fotodiodo.

Para recoger la máxima cantidad de la carga generada, el enfoque más común consiste en usar un sustrato p en el que se fabrica un pequeño pozo n. La otra opción es un sustrato p++ con una capa epitaxial p en la que se fabrica el pozo n (véase la Figura 1). En ambos casos, el pozo n recoge los electrones. Los huecos se pierden a través del ánodo situado al potencial de tierra.

La ventaja de este enfoque es que la movilidad de los electrones es mayor que la de los huecos. Así, la recogida de carga es más rápida. La región de vaciamiento, en un sensor CMOS convencional, es muy estrecha debido a la baja tensión para la que se desarrolló originalmente esta tecnología. Como consecuencia, la carga no llega al cátodo por deriva sino por difusión térmica. En este escenario resulta fundamental el tiempo de vida de los electrones, que en la capa p son portadores minoritarios. Solo los que llegan al pozo n antes de recombinarse contribuyen a la señal.

Este hecho establece una diferencia fundamental en el comportamiento de las dos soluciones tecnológicas. En el caso de la capa epitaxial el espesor sensible está limitado por el espesor de la capa p-epi. Esto ocurre porque en el p++ los portadores sufren una recombinación más rápida.

La arquitectura convencional de los sensores de píxel activo

La Figura 2 (a) muestra la arquitectura convencional de un APS de tres transistores. El fotodiodo está conectado a la tensión Vrst a través del transistor Mrst para la polarización inversa. Al apagar este transistor, el fotodiodo queda flotante. Tras un tiempo de integración determinado, se enciende Msel y se impone una corriente constante a través de los transistores Msf y Msel. Así, la tensión en el cátodo del fotodiodo puede leerse en la salida del píxel.

En un sensor de píxeles hay un gran número de las estructuras mostradas arriba, dispuestas normalmente en una matriz rectangular. En la Figura 2 (b) se muestra un ejemplo de matriz de 3×3. La lectura de cada píxel se realiza fila por fila. Se encienden todos los Msel de la misma fila y se impone una corriente en cada línea de columna. Al final de cada columna puede leerse la tensión del píxel correspondiente de la fila seleccionada. El reinicio puede distribuirse fila por fila o ser común a todos los píxeles. 

La Figura 3 muestra una tensión de salida típica de un píxel APS atravesado por una partícula β. Durante el intervalo de reinicio el píxel se recarga hasta la tensión de reinicio. Sin embargo, debido a la capacidad parásita entre la puerta y la fuente de Mrst, tras esta operación se produce una pequeña caída de tensión. Durante el tiempo de integración, en condiciones de oscuridad, la tensión permanece casi constante salvo por las pérdidas causadas por la corriente de fuga del fotodiodo. Pero si una partícula o un fotón atraviesa el píxel, la carga generada provoca una rápida caída de tensión. La señal de cada píxel se mide, en general, como la diferencia entre el valor inicial, al comienzo del tiempo de integración, y el valor al final.

Referencias

1. D. Passeri et al., Characterization of CMOS Active Pixel Sensors for particle detection: beam test of the four sensors RAPS03 stacked system, Nucl. Instr. and Meth. A 617 (2010) 573-575
2. D. Biagetti et al., Tilted CMOS Active Pixel Sensors for Particle Track Reconstruction, IEEE Nucl. Sci. Symp. Conf. Rec. NSS09 (2009) 1678-1681.
3. L. Servoli et al. , Use of a standard CMOS imager as position detector for charged particles ,  Nucl. Phys. B (Proc. Suppl.) 215 (2011) 228-231, 10.1016/j.nuclphysbps.2011.04.016
4. D. Biagetti et al., Beam test results for the RAPS03 non-epitaxial CMOS active pixel sensor, Nucl. Instr and Meth A 628 (2011) 230-233

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