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Abstract (German)

Thin-Film-on-ASIC- (TFA-) Sensoren nutzen als fotoelektrischen Wandler eine Dünnschicht

auf Basis amorphen Siliziums, die großflächig über das 2-dimensionale kristalline Pixelarray

aufgebracht ist. In der Arbeit werden von integrierenden TFA-Bildsensoren die Grenzeigenschaften

Empfindlichkeit, Dunkelstrom, temporäres und örtliches Rauschen untersucht.

Eine gute Stromempfindlichkeit wird durch optimale Detektorgeometrien erreicht. Parasitäre

Kapazitäten der 3-dimensionalen Anordnung und die gewählte Pixeleingangsschaltung

bestimmen die Wandlungs- oder Spannungsempfindlichkeit.

Dunkelstromanteile sind durch thermische Effekte bzw. durch Feldeffekte bestimmt. Der

Sperrstrom des Detektors, der Leckstrom des Resettransistors und der Leckstrom über das

Treibergate sind zu bewerten. Je nach dominierendem Anteil ändert sich die Temperaturabhängigkeit.

Bei ohmschen Anteilen ist die Dunkelstromverbesserung durch Kühlung vernachlässigbar.

Die Einbindung des Detektorrauschens von Foto- und Dunkelstrom in SPICE ermöglicht die

Bestimmung des Signal-Rauschabstands und des Dynamikbereichs der Pixeleingangsstufe.

Bei der Detektionsschwelle dominiert i. d. R. das Treiberrauschen.

Eine Beschreibung für das Verstärkungs-FPN (PRNU) ist mithilfe der Momentenmethode

dargestellt. Das temporäre Rauschen geht stärker in die Pixeleingangsstufe ein als das örtliche

Rauschen.

Durch die allgemein gültige Beschreibung sind die zentralen Ergebnisse dieser Arbeit für

CMOS- als auch für TFA-Bildsensoren anwendbar.

Abstract (English)

Thin-Film-on-ASIC (TFA) sensors use a thin film layer as photoelectric detector. Based on

amorphous silicon, the film is deposited on top of the 2-dimensional crystalline pixel area.

This thesis analyses the limiting properties of integrating TFA image sensors, i.e. sensitivity,

dark current, temporal and fixed pattern noise.

A useful current sensitivity is obtained with optimized detector geometries. Parasitic capacitances

of the 3-dimensional design and the selected pixel input circuit determine the

conversion or voltage sensitivity.

The dark current is determined by thermal effects or electrical field effects. The reverse

current of the detector, the leakage current of the reset transistor and the leakage current of the

driver gate have to be considered. The dark current temperature dependence varies with the

dominating physical property. Dark current improvements of ohmic components by cooling

are negligible.

The integration of photo and dark current detector noise into SPICE enables the determination

of the signal-to-noise ratio and the dynamic range of the pixel input stage. In most cases, the

driver transistor noise determines the detection limit.

A description of gain FPN (PRNU) depending on the transistor geometry is developed using

the moment method. Temporal noise has a stronger influence on the pixel input stage than

fixed pattern noise.

Due to the generally valid description, the central results of this thesis are applicable to

normal CMOS as well as TFA image sensors.

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