Eine derartige Anordnung ist aus der EP 0 440 282 A2 bekannt. Insbesondere bei Anwendungen in der Röntgentechnik treffen auf die Sensoren nur geringe Röntgenstrahlendosen. Infolge dessen ist auch die elektrische Ladung, die in den Foto- Sensorelementen in Abhängigkeit der auftreffenden Strahlung erzeugt wird, nur sehr gering.

Die geringen Ladungsmengen verursachen häufig Probleme, da das ausgelesene Signal mit starkem Rauschen überlagert ist. Um diesem Problem zu begegnen, weist der einzelne Sensor der Anordnung nach der EP 0 440 282 A2 eine möglichst große sensitive Oberfläche auf, um die Strahlungsempfindlichkeit zu vergrößern. Um die großen Oberflächen realisieren zu können, ist in jeder Ausleseleitung der Matrix nur ein Verstärker vorgesehen, der dazu dient, die ausgelesenen Signale aller Sensoren dieser Spalte zu verstärken.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben und ein Verfahren zu deren Betrieb vorzuschlagen. Insbesondere soll je nach Betriebsweise der Anordnung das Schaltrauschen, das durch den Auslesevorgang der Sensoren verursacht wird, reduziert und/oder eine höhere Bildwiederholrate, stabilere Betriebsbedingungen des Foto-Sensorelements, auch bei größeren Signalen, sowie eine Vergrößerung des dynamischen Bereichs des Foto-Sensorelements ermöglicht werden.

Die Lösung der Aufgabe basiert auf dem Gedanken, einen weiteren, unabhängig von dem ersten Transistor ansteuerbaren Transistor vorzusehen, der mit einer zusätzlichen Kapazität in jedem Sensor zusammenwirkt.

Im einzelnen wird die Aufgabe bei einer Anordnung der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß jeder Sensor einen weiteren direkt mit dem Foto-Sensorelement verbundenen Transistor aufweist, der über mindestens eine Steuerleitung aktivierbar ist, daß die beiden Transistoren jedes Sensors in Reihe geschaltet sind und an der Verbindung der beiden Transistoren eine Elektrode einer weiteren Kapazität angeschlossen ist.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind beide Transistoren des Sensors als Feldeffekttransistoren ausgebildet, deren leitfähige Kanäle in Reihe geschaltet sind. Je nach Ansteuerung des Gate-Anschlusses des mit dem Foto-Sensorelement verbundenen Feldeffekttransistors über die Steuerleitung (Steuer-Feldeffekttransistor) lassen sich unterschiedliche Betriebsweisen der Anordnung realisieren. Die einzelnen Betriebsweisen ergeben sich aus den Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen Anordnungen gemäß den Ansprüchen 6 bis 8.

Der Gate-Anschluß des mit dem Steuer-Feldeffekttransistor in Reihe geschalteten Feldeffekttransistors (Schalt-Feldeffekttransistor) ist in an sich bekannter Weise mit der Schaltleitung verbunden, die zum Auslesen des Sensors aktiviert wird.

Entsprechend den bekannten Schaltleitungen kann je Sensoren-Zeile mindestens eine Steuerleitung zur Ansteuerung der weiteren Transistoren, insbesondere der Steuer-Feldeffekttransistoren vorgesehen sein. Es ist jedoch auch möglich, nur eine Steuerleitung zur Ansteuerung sämtlicher weiteren Transistoren der gesamten Matrix vorzusehen.

Um wirksam das Schaltrauschen des Schalt-Feldeffekttransistors zu reduzieren, wird in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß die weitere Kapazität kleiner als die intrinsische und/oder die zu dem Foto-Sensorelement parallelgeschaltete Speicherkapazität ist.

Die Bauteile jedes Sensors können in einem Dünnfilmsubstrat nebeneinander und/oder übereinander angeordnet sein. Der zusätzliche Steuer-Feldeffekttransistor kann aus amorphem Silizium oder aus polykristallinem Silizium bestehen.

Wird die erfindungsgemäße Anordnung nach den Merkmalen des Anspruchs 9 betrieben, erzielt man eine kontinuierliche Ladungsübertragung auf die weitere Kapazität.

Indem die Spannung an dem Foto-Sensorelement konstant gehalten wird, wird anstelle der Speicherkapazität die weitere Kapazität entladen, wenn Strahlung auf das Foto- Sensorelement fällt. Für diese Betriebsweise des Steuer-Feldeffektransistors wird im folgenden die Bezeichnung"Ladungspumpe"verwendet. Folglich wird die weitere Kapazität während des Auslesens über die Ausleseleitung wieder aufgeladen. Wenn die weitere Kapazität kleiner als die Speicherkapazität ist, reduziert sich das Schaltrauschen, das proportional zur Größe der ausgelesenen Kapazität ist.

Da die Spannung an dem Foto-Sensorelement konstant gehalten wird, arbeitet das Foto-Sensorelement auch bei großen Signalen noch stabil, weil es ständig am gleichen Arbeitspunkt betrieben wird. Zusätzlich ergibt sich ein größerer dynamischer Bereich des Sensors, wenn der maximale Spannungshub über der weiteren Kapazität geeignet gewählt wird.

Eine gesteuerte Ladungsübertragung zwischen der Speicherkapazität und der weiteren Kapazität läßt sich durch einen Betrieb der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 10 realisieren. Bei einer solchen Betriebsweise wird die Ladung von der weiteren Kapazität ausgelesen, während die auf dem Foto-Sensorelement

auftreffende Strahlung auf der Speicherkapazität bereits neue Ladungen erzeugt. Hierzu wird der Steuer-Feldeffekttransistor zeitweise als Ladungspumpe betrieben.

Auch bei der gesteuerten Ladungsübertragung wirkt sich eine gegenüber der Speicherkapazität kleinere weitere Kapazität reduzierend auf das Schaltrauschen des Schalt- Feldeffekttransistors aus. Durch die zeitliche Überlappung der Ladungsintegration auf der Speicherkapazität und des Auslesens der weiteren Kapazität läßt diese Betriebsweise höhere Bildwiederholraten zu, als dies bei bisherigen Anordnungen möglich war.

Bei einem Betrieb der erfindungsgemäßen Anordnung gem. den Merkmalen des Anspruchs 11, wird die Speicherkapazität effektiv um die weitere Kapazität vergrößert.

Bei einer gegebenen Vorspannung an dem Foto-Sensorelement, insbesondere einer Fotodiode wird deren dynamischer Bereich vergrößert.

Eine preiswerte und einfache Möglichkeit zur Realisierung einer erfindungsgemäßen Anordnung eröffnet die an sich bekannte Mehrschicht- Bildsensortechnologie mit obenliegendem Foto-Sensorelement, insbesondere Fotodiode, in Ausgestaltung des Anspruchs 6.

Sollen Bottomgate-Feldeffekttransistoren zum Einsatz kommen, vermeidet ein Aufbau der weiteren Kapazität als Reihenschaltung aus zwei Kondensatoren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 7 die Notwendigkeit von Durchkontaktierungen durch das Gate- Dielektrikum und spart somit Prozess-Schritte in der Herstellung der Sensoren.

Um Kreuzungen der gemeinsamen Elektrode mit der Ausleseleitung zu vermeiden, ist ein Aufbau der Anordnung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8 zweckmäßig.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert, Figur 1 : Ausschnitt der Schaltungsanordnung für einen röntgenstrahlempfindlichen Sensor.

Figur 2 : eine schematische Darstellung eines Layouts einer Schaltungsanordnung nach Figur 1, Figur 3 : einen Querschnitt durch einen Sensor mit Bottomgate- Feldeffekttransistor. Technologie einer Matrix mit einer Schaltungsanordnung nach Figur 1 sowie Figur 4 : einen Querschnitt durch einen Sensor mit Topgate- Feldeffekttransistor-. Technologie einer Matrix mit einer Schaltungsanordnung nach Figur 1.

In Figur 1 ist lediglich ein Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt, der lediglich einen röntgenstrahlempfindlichen Sensor S zeigt. Sämtliche Sensoren des Ausführungsbeispiels weisen n-Kanal-Feldeffekttransistoren auf.

Selbstverständlich liegt es im Rahmen der Erfindung anders ausgeführte Feldeffekttransistoren zu verwenden.

In an sich bekannter Weise besteht eine Matrix aus einer Vielzahl, beispielsweise 2000 x 2000 Sensoren S, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind. Die jeweils ersten Sensoren S einer Zeile der Matrix bilden zusammen die erste Spalte, die jeweils zweiten Sensoren jeder Zeile zusammen die zweite Spalte usw.

Jeder Sensor S weist ein Foto-Sensorelement auf. Dieses Foto-Sensorelement kann bei Einsatz geeigneter Halbleiter selbst bereits für Röntgenstrahlen empfindlich sein. Es kann sich aber auch um eine lichtempfindliche Fotodiode 1 handeln, die dann Licht empfängt, wenn auf eine über ihr angeordnete Szintillatorschicht Röntgenstrahlung trifft.

Ohne Szintillatorschicht ist die Anordnung auch zur direkten Erfassung von Licht geeignet.

Parallel zu den Anschlüssen der Fotodiode 1 ist eine Speicherkapazität 2 geschaltet. Die Anode der Fotodiode 1 sowie eine Elektrode der Speicherkapazität 2 sind mit einer allgemeinen Elektrode 9 verbunden, welche diese mit einer negativen Gleichspannung vorspannt. Die Kathode der Fotodiode 1 sowie die andere Elektrode der Speicherkapazität 2 sind mit einem Source-Anschluß eines Steuer-Feldeffekttransistors 5 verbunden. Der Drain-

Anschluß dieses Steuer-Feldeffekttransistors 5 ist wiederum mit einem Source-Anschluß eines Schalt-Feldeffekttransistors 3 verbunden.

Trifft auf die Fotodiode 1 Strahlung auf, werden in der Fotodiode 1 Ladungsträgerpaare (Ladungen) erzeugt, wodurch die geladene Speicherkapazität teilweise entladen wird. Die Entladung hängt von der Anzahl der auf die Fotodiode 1 auftreffenden Photonen ab. Durch Ausgleichen der jeweils fehlenden Ladung über die leitfähigen Kanäle der Feldeffekttransistoren 3,5 läßt sich jeder Sensor einzeln auslesen. Dazu ist für jede Zeile der Sensormatrix eine Steuerleitung 6 und eine Schaltleitung 7 vorgesehen. Die Schaltleitung 7 ist mit den Gate-Anschlüssen der Schalt-Feldeffekttransistoren 3 und die Steuerleitung mit den Gate-Anschlüssen der Steuer-Feldeffekttransistoren 5 der Sensoren S verbunden.

Die Schalt-und Steuerleitungen 6,7 aktivieren somit die Feldeffekttransistoren 3,5 der ihnen zugeordneten Zeile der Matrix. Sie werden beispielsweise mittels einer in der Figur nicht dargestellten, an sich bekannten Treiberschaltung angesteuert, die verschiedene analoge Steuerspannungen auf die Leitungen 6,7 aufschaltet. Die Treiberschaltung dient dazu, zum Auslesen der in den Sensoren S gespeicherten Ladungen die Zeilen der Sensormatrix nacheinander zu aktivieren.

Für jede Spalte der Matrix ist in bekannter Weise eine Ausleseleitung 8 vorgesehen. Die Ausleseleitungen 8 sind sämtlich mit den Drain-Anschlüssen der Schalt- Feldeffekttransistoren 3 der Sensoren der jeweiligen Spalte verbunden. Regelmäßig ist jeder Ausleseleitung 8 ein Verstärker 11 zugeordnet, der die in den einzelnen Sensoren S zeilenweise fließenden Ladungen integriert. Diese Verstärker 11 sind einem nicht dargestellten Analogmultiplexer vorgeschaltet, dessen Eingänge mit den Ausgängen der Verstärker verbunden sind. In dem Analogmultiplexer werden die gleichzeitig und parallel eintreffenden Ladungen aus jeweils einer Zeile der Matrix in ein serielles Signal umgesetzt, das zur Weiterverarbeitung an einem seriellen Ausgang des Analogmultiplexers zur Verfügung steht.

An dem Drain-Anschluß des Steuer-Feldeffekttransistors 5 bzw. dem Source- Anschluß des Schalt-Feldeffekttransistors 3 ist eine Elektrode einer weiteren Kapazität 4 angeschlossen, deren andere Elektrode 4a ebenfalls an der allgemeinen Elektrode 9 oder

einer davon unabhängigen allgemeinen Elektrode angeschlossen ist. Es liegt im Rahmen der Erfindung, in die Verbindung zwischen Steuer-Feldeffekttransistor 5 und Schalt- Feldeffekttransistors 3 jedes Sensors S einen oder mehrere Kaskodetransistoren zu schalten, um die Drain-Spannung am Steuer-Feldeffekttransistor 5 zu stabilisieren.

Die weitere Kapazität 4 erlaubt in Verbindung mit dem Steuer- Feldeffekttransistor 5, dessen Gate-Anschluß über die Steuerleitung 6 angesteuert wird, folgende Betriebsweisen der einzelnen Sensoren S der erfindungsgemäßen Anordnung : A. Kontinuierliche Ladungsübertragung Indem eine geeignete Spannung über die Steuerleitung 6 an den Gate- Anschluß des Steuer-Feldeffekttransistors 5 angelegt wird, kann dieser als Ladungspumpe arbeiten. Geeignet ist eine Spannung, wenn der Steuer-Feldeffekttransistor 5 im Sättigungsbereich arbeitet. Hierdurch wird die an der Fotodiode 1 und der Speicherkapazität 2 anliegende Spannung konstant gehalten.

Wenn in diesem Betriebsmodus des Sensors S auf die Fotodiode 1 Strahlung auftrifft, wird nicht mehr die Speicherkapazität 2 der Fotodiode 1 entladen, sondern die weitere Kapazität 4. Wird nun der Schalt-Feldeffekttransistor 3 zum Auslesen geschlossen, wird die weitere Kapazität 4 während des Auslesens der Ladung über die Ausleseleitung 8 wieder aufgeladen.

B. Gesteuerte Ladungsübertragung Die Ladungsübertragung von der weiteren Kapazität 4 auf die Speicherkapazität 2 wird durch die Spannung an der Steuerleitung 6 bestimmt. Aufgrund dieses Zusammenhangs ist es möglich, in bestimmten Phasen der Bilddatenaquisition die unter A. beschriebene Ladungsübertragung zu unterbinden, indem über die Steuerleitung 6 an den Gate-Anschluß des Feldeffekttransistors 5 eine im Verhältnis zur Spannung am Source- Anschluß negative Spannung angelegt wird, so daß der Steuer-Feldeffekttransistor 5 sperrt.

Durch Unterbinden der Ladungsübertragung wird zunächst lediglich die Speicherkapazität 2 entladen und erst anschließend aus der weiteren Kapazität 4 wieder aufgeladen. Das Ausgleichen der Ladung auf der weiteren Kapazität 4 über den aktivierten Schalt-Feldeffekttransistor 3 und die Ausleseleitung 8 kann dann stattfinden, wenn auf die Fotodiode 1 bereits wieder Strahlung auftrifft und die Kapazität 2 entladen wird.

C. Vergrößerung der Speicherkapazität Indem eine im Verhältnis zur Spannung am Source-Anschluß große positive Spannung am Gate-Anschluß des Steuer-Feldeffekttransistors 5 angelegt wird, wird dessen Kanal leitfähig. Indem diese Spannung aufrecht erhalten wird, wird eine ständige Verbindung zwischen der Speicherkapazität 2 und der weiteren Kapazität 4 hergestellt. Im Ergebnis ist daher die Gesamtkapazität, die zur Fotodiode 1 parallelgeschaltet ist, um die zusätzliche Kapazität 4 vergrößert. Durch diese Maßnahme läßt sich der dynamische Bereich der Fotodiode 1 bei gegebener Vorspannung vergrößern.

Figur 2 zeigt eine Möglichkeit der Realisierung einer Schaltung nach Figur 1 in der an sich bekannten Mehrschicht-Bildsensortechnologie mit obenliegender Diode, wie sie beispielsweise in M. J. Powell, C. Glasse, I. D. French, A. R. Franklin, J. R. Hughes and J. E.

Curran, Materials Research Symposium Proceedings, 467 863 (1997) beschrieben ist.

Übereinstimmend mit Figur 1 gibt Figur 2 lediglich exemplarisch einen Sensor als Ausschnitt der Matrix aus einer Vielzahl von gleich aufgebauten Sensoren wieder.

Zwei Hauptverbindungen sind in beiden Richtungen des Sensors vorgesehen : die Schaltleitung 7 und die Steuerleitung 6 und rechtwinklig zu diesen Leitungen die Ausleseleitung 8 und die allgemeine Elektrode 9. Wie aus den Figuren 3 und 4 erkennbar sind in der Mehrschicht-Bildsensortechnologie drei Metallisierungsschichten 12,13,14 ausgeführt, so daß grundsätzlich für den Verlauf der gemeinsamen Elektrode 9 eine der beiden Richtungen frei gewählt werden kann. Es ist jedoch vorteilhaft, wie in Figur 2 gezeigt, Kreuzungen mit der Ausleseleitung 8 zu vermeiden.

Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch einen in der Mehrschicht- Bildsensortechnologie ausgeführten Sensor S mit dem Schalt-Feldeffekttransistor 3 und Steuer-Feldeffekttransistor 5 als Bottomgate-Feldeffekttransistor. Im einzelnen weist der Sensor S eine erste Metallisierungsschicht 12, eine darüber angeordnete zweite Metallisierungsschicht 13 und eine darüber angeordnete dritte Metallisierungsschicht 14 auf.

In der ersten Metallisierungsschicht 12 befindet sich das Gate-Metall für die Steuerleitung 6 und die Schaltleitung 7 sowie ein weiterer Metallisierungsbereich 15, der Bestandteil der weiteren Kapazität 4 ist. Zwischen der darüberliegenden Metallisierungsschicht 13 und der ersten Metallisierungsschicht 12 befindet sich eine Schicht Gate-Dielektrikum 16, auf der bereichsweise amorphes Silizium als Halbleitermaterial 17 aufgebracht ist. In der zweiten. Metallisierungsschicht 13 auf dem Halbleitermaterial 17 befinden sich die Drain-und Source Anschlüsse des Schalt-Feldeffekttransistors 3 und des Steuer-Feldeffekttransistors 5 sowie zwei weitere Metallisierungsbereiche 18,19, die ebenfalls Bestandteile der weiteren Kapazität 4 sind. Die Metallisierungsbereiche 15,18,19 der ersten und zweiten Metallisierungsschicht bilden, getrennt durch das Gate-Dielektrikum 16, zwei Kondensatoren, die in Reihenschaltung die weitere Kapazität 4 ergeben. Der Metallisierungsbereich 15 in der ersten Metallisierungsschicht 12 ist gemeinsame Elektrode und galvanische Verbindung der beiden hintereinandergeschalteten Kondensatoren, während die Metallisierungsbereiche 18,19 die Gegenelektroden der beiden in Reihe geschalteten Kondensatoren bilden. Die Reihenschaltung vermeidet die Notwendigkeit von Durchkontaktierungen durch das Gate-Dielektrikum 16, da die zusätzliche Kapazität 4 zwischen der gemeinsamen Elektrode 9 und dem Source-Anschluss des Schalt- Feldeffekttransistors 3 liegt.

Die durch den Metallisierungsbereich 18 gebildete Gegenelektrode ist über eine zusätzliche Durchkontaktierung 21 mit der allgemeinen Elektrode 9 verbunden. Der Metallisierungsbereich 18 entspricht dem Anschluß 4 a der zusätzlichen Kapazität 4 in Figur 1, der in dieser Ausführungsform mit der allgemeinen Elektrode 9 verbunden ist. Die Durchkontaktierung 22 ist auch bei den in herkömmlicher Mehrschicht- Bildsensortechnologie hergestellten Sensoren schon vorhanden und verbindet die eine

intrinsische Kapazität aufweisende Fotodiode 1,2 mit dem Source Anschluß des Steuer- Feldeffekttransistors 5 in der Metallisierungsschicht 13 (vgl. auch Figur 1).

Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch einen in der Mehrschicht- Bildsensortechnologie ausgeführten Sensor S mit dem Schalt-Feldeffekttransistor 3 und Steuer-Feldeffekttransistor 5 als Topgate-Feldeffekttransistor. In dieser Ausführung des Sensors S befindet sich der Source-Anschluß des Schalt-Feldeffekttransistors 3 in der Metallisierungsschicht 12. Die Kapazität 4 nutzt das Gate-Dielektrikum 16 der Feldeffekttransistoren 3,5, das sich über den gesamten Bereich des Sensors S erstreckt. Bei diesem Layout ist es nicht notwendig, die weitere Kapazität 4 in zwei in Serie geschaltete Kondensatoren aufzuteilen, weil sich der Source-Anschluss des Schalt-Feldeffekttransistors 3 in der Metallisierungsschicht 12 befindet, die das Source-/Drainmetall der beiden Feldeffekttransistoren 3,5 sowie die Gegenelektrode der weiteren Kapazität 4 bildet. Die Metallisierungsschicht 13 beinhaltet die mit der gemeinsamen Elektrode 9 verbundene Elektrode der zusätzlichen Kapazität 4 sowie die Gate-Anschlüsse der beiden Feldeffekttransistoren 3,5.

Neben den beschriebenen Ausführungsformen könnte die weitere Kapazität 4 in der Isolierschicht 23 zur Passivierung der Fotodiode 1,2 realisiert werden. Dies würde allerdings nach wie vor eine Durchkontaktierung erfordern. Außerdem beansprucht eine dort plazierte Kapazität Fläche auf dem Isolator 24 und verringert damit den aktiven Bereich der Fotodiode 1,2.