КООРДИНАТНО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ДЕТЕКТОР (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1999 года по МПК H01L31/115 G01T1/24 

Предлагаемое изобретение относится к области ядерного приборостроения и микроэлектроники и может быть использовано при создании координатно-чувствительных детекторов альфа-частиц, тяжелых частиц и ионов.

Известен одномерный координатно-чувствительный детектор (КЧД) [1], в котором один из электродов обратного смещения p-n-перехода со стороны падения потока частиц выполнен в виде резистивного слоя с двумя контактами на его краях, второй, задний, электрод обеспечивает омический контакт с полупроводниковой пластиной. Заряд, образованный в p-n-переходе детектора частицей, растекается к контактам, при этом время растекания заряда, то есть время появления сигнала с детектора о попадании частицы определяется постоянной времени RC-линии с распределенными параметрами, в которой резистивный слой образует активное сопротивление R, а p-n-переход - емкость C.

Такой детектор не обеспечивает высокого быстродействия и чувствительности при регистрации, например, альфа-частиц, поскольку постоянная времени RC для детекторов площадью более 1 см² (которые имеют практический интерес, в частности, в системах нейтронографии) весьма велика и составляет более 1 мкс.

Известен двухмерный КЧД [2] , который выбран в качестве прототипа, с более высокими быстродействием и чувствительностью, в котором в качестве детектирующих элементов используются полупроводниковые диоды, образующие матрицу, при этом электроды, расположенные со стороны попадания частиц в детектор, соединяющие аноды диодов, параллельны координатной оси X, а электроды, расположенные с противоположной стороны детектора и соединяющие катоды диодов, параллельны координатной оси Y.

Однако указанный детектор также имеет недостаточное быстродействие и чувствительность, т.е. разрешение по времени попадания частицы, так как заряд от попадания частицы, собираемый p-n-переходом диода, достаточно мал, менее 3 • 10^5 электронно-дырочных пар на одну альфа-частицу [3], и не позволяет зарядить суммарную барьерную емкость p-n-переходов диодов за время менее 100 нс, поскольку диод не обладает коэффициентом усиления ионизационного тока. Кроме того, удаленность электродов, параллельных координате Y, находящихся на обратной стороне детектора, ограничивает координатное разрешение КЧД величиной ~ 10 мкм.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение быстродействия, чувствительности и координатного разрешения детектора.

Решение задачи достигается тем, что в качестве детектирующих элементов матрицы двухмерного КЧД (Вариант 1) используются двухэмиттерные биполярные транзисторы, у которых первый эмиттер подсоединен к электроду, параллельному координатной оси X, второй эмиттер подсоединен к электроду, параллельному координатной оси Y, причем упомянутые электроды расположены со стороны попадания в детектор частиц, а коллекторы транзисторов подсоединены к общему электроду питания детектора.

Суть данного технического решения поясняется чертежами: на фиг. 1 показана конструкция детектора, на фиг. 2 - его топология (единая для всех вариантов), а на фиг. 3 - его электрическая схема.

КЧД содержит детектирующие элементы в виде двухэмиттерных биполярных транзисторов 1, образующих двухмерную матрицу 2, электроды 3, параллельные координате X, электроды 4, параллельные координате Y, общий электрод питания 5. Первый эмиттер (Э1) двухэмиттерного транзистора 1 подсоединен к электроду 3, параллельному координатной оси X, а второй эмиттер (Э2) подсоединен к электроду 4, параллельному координатной оси Y, причем все электроды 3 и 4 расположены со стороны попадания частицы в детектор, а коллекторы (К) транзисторов подсоединены к общему электроду питания матрицы 5.

Для пояснения внутренней структуры детектора и его связей с внешними устройствами на фиг. 1 дополнительно указаны: Б - база двухэмиттерного биполярного транзистора; Е - внешний вывод электрода питания; Y - внешний вывод одного из электродов, параллельных координатной оси Y; X1-X3 - внешние выводы электродов, параллельных оси X.

КЧД работает следующим образом.

При попадании, например, альфа-частицы в область базы или коллектора биполярного транзистора генерируется ~ 3 • 10^5 электронно-дырочных пар, которые собираются в основном коллекторным p-n-переходом, образуя первичный ионизационный ток I_ион величиною ~ 0,01 мА, который усиливается за счет транзисторного эффекта в h21э раз, (h21э - коэффициент передачи тока для схемы с общим эмиттером), в результате чего ток эмиттера I_э, который является информационным сигналом, равен I_э = I_ион • h21э = ~ 0,01 мА • 100 = 1,0 мА.

Усиление первичного ионизационного тока I_ион происходит достаточно быстро - за время, равное времени пролета электронов через базу, которое для современных транзисторов составляет 10 - 100 нс. Учитывая, что h21э ~ 100, локальное усиление сигнала позволяет резко уменьшить постоянную времени t (t = R_вн • C_р), определяющую быстродействие детектора и определяемую внутренним сопротивлением детектирующего элемента R_вн и распределенной емкостью C_р длинной электродной линии. Считая, что R_вн ~ E_п/I_э = 5 В/1,0 мА = 5 кОм, где E_п - напряжение питания детектора, I_э - сила эмиттерного тока и C_р = C • n = 0,2 • 10^(-15) • 1000 = 2 • 10^(-13)Ф, где C - емкость эмиттерного p-n-перехода (C ~ 2 • 10^(-15)Ф), n - число детектирующих элементов в строке (n ~ 1000), найдем, что постоянная времени t = 5000 Ом • 2 • 10^(-13)Ф = 10^(-9) с.

В данной конструкции каждый транзистор имеет два эмиттера, подключенных к соответствующим электродам 3 и 4, поэтому при попадании частицы в детектирующий элемент возникают "броски" тока в указанных электродах. Эти импульсы тока регистрируются внешними по отношению к детектору устройствами (на фигурах не показаны), которые фиксируют момент прихода частицы, а также координаты сработавшего элемента матрицы, а следовательно, и координаты попадания частицы.

С целью снижения погрешности регистрации времени прихода частицы путем уменьшения фронтов токовых импульсов базы всех двухэмиттерных транзисторов 1 матрицы подсоединены через резисторы 6 к шине смещения 7 (см. фиг. 4).

Поскольку в предложенном детекторе процессы рождения и сбора электронно-дырочных пар (носителей заряда), а также усиления тока, связанного с поглощением частиц, происходят в достаточно тонком слое, определяемом длиной пробега детектируемых частиц, и сосредоточены вблизи передней поверхности матрицы 2, то размеры ее элементов могут быть достаточно малыми и соизмеримыми с минимальной фотолитографической нормой (1 - 5 мкм). Этими размерами и определяется координатное разрешение КЧД.

Решение задачи достигается также тем, что в качестве детектирующих элементов двухмерной матрицы используются составные биополярные транзисторы (Вариант 2), состоящие из одноэмиттерного и двухэмиттерного транзисторов, в которых эмиттер одноэмиттерного транзистора подсоединен к базе двухэмиттерного транзистора, а коллекторы одно- и двухэмиттерного транзисторов подсоединены к общему электроду питания детектора, первый эмиттер двухэмиттерного транзистора подсоединен к электроду, параллельному координатной оси X, а второй эмиттер - к электроду, параллельному координатной оси Y, причем упомянутые электроды расположены со стороны попадания в детектор частиц.

Данное техническое решение поясняется электрической схемой (см. фиг. 5).

КЧД содержит детектирующие элементы 1, состоящие из одноэмиттерных транзисторов 1а и двухэмиттерных транзисторов 1б, образующие двухмерную матрицу, электроды 3, параллельные координатной оси X, электроды 4, параллельные координатной оси Y. Коллекторы всех транзисторов подключены к общему электроду питания 5 (на фиг. 5 не показан). В каждом детектирующем элементе 1 эмиттер одноэмиттерного транзистора 1а подсоединен к базе двухэмиттерного транзистора 1б.

Одноэмиттерный транзистор 1а выполняет собственно детектирование частиц, а двухэмиттерный транзистор 1б обеспечивает усиление тока одноэмиттерного транзистора и формирование и передачу импульсов к соответствующим электродам 3 и 4.

Процессы генерации первичного ионизационного тока, его усиления и регистрации реализуются в данной конструкции детектора аналогично варианту 1.

Для частиц малых энергий (менее 1 МэВ) данный вариант конструкции детектора предпочтительней, т.к. коэффициент усиления ионизационного тока, определяемый величиной (h21э1 • h21э2), больше, чем в варианте 1, где h21э1 - коэффициент передачи тока для схемы с общим эмиттером первого транзистора, h21э2 - коэффициент передачи тока для схемы с общим эмиттером второго двухэмиттерного транзистора.

Решение задачи достигается также тем (Вариант 3), что в качестве детектирующего элемента двухмерной матрицы используется комбинация диода и двухэмиттерного биполярного транзистора, в которой катод диода и коллектор транзистора подсоединены к общему электроду питания детектора, а анод диода - к базе транзистора, причем первый эмиттер транзистора подсоединен к электроду, параллельному координатной оси X, а второй эмиттер - к электроду, параллельному координатной оси Y, причем упомянутые электроды расположены со стороны попадания в детектор частиц.

Данное техническое решение поясняется электрической схемой (см. фиг. 6).

КЧД содержит детектирующие элементы 1, состоящие из полупроводникового диода 1а и двухэмиттерного биполярного транзистора 1б, образующие двухмерную матрицу 2, электроды 3, параллельные координатной оси X, электроды 4, параллельные координатной оси Y. В каждом детектирующем элементе 1 матрицы катод диода и коллектор транзистора подсоединены к общему электроду питания детектора, а анод диода - к базе транзистора, причем первый эмиттер транзистора подсоединен к электроду 3, параллельному координатной оси X, а второй эмиттер - к электроду 4, параллельному координатной оси Y.

Полупроводниковый диод 1а выполняет собственно детектирование частиц, а двухэмиттерный транзистор 1б обеспечивает усиление тока одноэмиттерного транзистора и формирование и передачу импульсов к соответствующим электродам 3 и 4 аналогично вариантам 1 и 2.

Обладая при меньшем количестве компонентов детектирующего элемента теми же быстродействием и координатным разрешением, как и детектор по варианту 2, данная конструкция КЧД отличается большей технологичностью.

С целью снижения погрешности регистрации времени прихода частицы путем уменьшения фронтов токовых импульсов (аналогично вариантам 1 и 2) базы всех двухэмиттерных транзисторов матрицы подсоединены через резисторы 6 к шине смещения 7.

Авторами был изготовлен опытный макет КЧД по варианту 1, состоящий из 100 элементов на базе транзисторов КТ 315 и резисторов ОМЛТ-1 кОм ± 10%, который показал способность регистрировать альфа-частицы с энергией свыше 5 МэВ.

Детектор обладает следующими характеристиками: чувствительность - 10^5 электронно-дырочных пар на частицу и быстродействие ~ 10 нс.

Источники информации:
1. Klanner R. Silicon detectors//Ibid. 1985. V. A235, N 1, p. 209 - 215.

2. Горн Л.С., Хазанов Б.И. Современные приборы для измерения ионизирующих излучений. - М.: Энергоатомиздат, 1989, с. 85 - 87.

3. Аваев Н.А., Наумов Ю.Е. Элементы сверхбольших интегральных схем. - М. : Радио и связь, 1986. с. 68 - 72.

Использование: в области ядерного приборостроения и микроэлектронике. Технический результат: повышение быстродействия, чувствительности и координатного разрешения детектора. Сущность: в детекторе в качестве детектирующего элемента матрицы используется двухэмиттерный биполярный транзистор, первый эмиттер которого подсоединен к электроду, параллельному координатной оси X, второй эмиттер подсоединен к электроду, параллельному координатной оси Y, причем упомянутые электроды расположены со стороны попадания в детектор частиц, а коллекторы транзисторов подсоединены к общему электроду питания детектора, или в качестве детектирующего элемента матрицы используется составной биполярный транзистор, состоящий из одно- и двухэмиттерного транзисторов, в котором эмиттер одноэмиттерного транзистора подсоединен к базе двухэмиттерного транзистора, а коллекторы одно- и двухэмиттерного транзисторов подсоединены к общему электроду питания детектора, первый эмиттер двухэмиттерного транзистора подсоединен к электроду, параллельному координатной оси X, а второй эмиттер - к электроду, параллельному координатной оси Y, причем упомянутые электроды расположены со стороны попадания в детектор частиц, или в качестве детектирующего элемента матрицы используется комбинация диода и двухэмиттерного биполярного транзистора, в которой катод диода и коллектор транзистора подсоединены к общему электроду питания детектора, а анод диода - к базе транзистора, первый эмиттер транзистора подсоединен к электроду, параллельному координатной оси X, а второй эмиттер - к электроду, параллельному координатной оси Y, причем упомянутые электроды расположены со стороны попадания в детектор частиц. 3 с. и 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Координатно-чувствительный детектор, содержащий двухмерную матрицу из полупроводниковых детектирующих элементов, выполненных в полупроводниковой пластине, подсоединенных к электродам, параллельным соответствующим координатным осям X и Y, по крайней мере часть из которых расположена со стороны попадания частиц в детектор, отличающийся тем, что в качестве детектирующего элемента матрицы используется двухэмиттерный биполярный транзистор, первый эмиттер которого подсоединен к электроду, параллельному координатной оси X, второй эмиттер подсоединен к электроду, параллельному координатной оси Y, причем упомянутые электроды расположены со стороны попадания в детектор частиц, а коллекторы транзисторов подсоединены к общему электроду питания детектора. 2. Координатно-чувствительный детектор, содержащий двухмерную матрицу из полупроводниковых детектирующих элементов, выполненных в полупроводниковой пластине, подсоединенных к электродам, параллельным соответствующим координатным осям X и Y, по крайней мере часть из которых расположена со стороны попадания частиц в детектор, отличающийся тем, что в качестве детектирующего элемента матрицы используется составной биполярный транзистор, состоящий из одно- и двухэмиттерного транзисторов, в котором эмиттер одноэмиттерного транзистора подсоединен к базе двухэмиттерного транзистора, а коллекторы одно- и двухэмиттерного транзисторов подсоединены к общему электроду питания детектора, первый эмиттер двухэмиттерного транзистора подсоединен к электроду, параллельному координатной оси X, а второй эмиттер - к электроду, параллельному координатной оси Y, причем упомянутые электроды расположены со стороны попадания в детектор частиц. 3. Координатно-чувствительный детектор, содержащий двухмерную матрицу из полупроводниковых детектирующих элементов, выполненных в полупроводниковой пластине, подсоединенных к электродам, параллельным соответствующим координатным осям X и Y, по крайней мере часть из которых расположена со стороны попадания частиц в детектор, отличающийся тем, что в качестве детектирующего элемента матрицы используется комбинация диода и двухэмиттерного биполярного транзистора, в которой катод диода и коллектор транзистора подсоединены к общему электроду питания детектора, а анод диода - к базе транзистора, первый эмиттер транзистора подсоединен к электроду, параллельному координатной оси X, а второй эмиттер - к электроду, параллельному координатной оси Y, причем упомянутые электроды расположены со стороны попадания в детектор частиц. 4. Детектор по пп.1 - 3, отличающийся тем, что базы транзисторов матрицы подключены через резистор к шине смещения.