CN109983761A - 光子检测器 - Google Patents

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Abstract

本实施方式涉及一种光子检测器，其具备前置放大器，该前置放大器具有可防止放大器饱和的构造。前置放大器具有放大器，并且还具有分别配置于将该放大器的输入端侧与输出端侧电连接的多条配线的电容元件、n型MOSFET、及p型MOSFET。n型MOSFET的控制电极设定为第1固定电位(V1)，另一方面，p型MOSFET的控制电极设定为第2固定电位(V2)。

Description

光子检测器
技术领域
本发明涉及一种光子检测器。
背景技术
以往已知一种使用于X射线摄像装置等的光子检测器。例如，在专利文献1，记述有作为使用于X射线摄像装置的光子检测器的构成要素的半导体X射线检测器。该半导体X射线检测器由检测X射线的传感器元件及积分电路构成。另外，积分电路由利用运算放大器等构成的放大器、并联连接于该放大器的电容器、及并联连接于该放大器的电阻元件构成。在此种半导体X射线检测器中，每次X射线入射至传感器元件时，就会在电容器蓄积特定量的电荷，放大器的输出电压以阶梯状上升。放大器的输出电压通过连接于下一级的整形放大器等微分，并作为计数脉冲输出，且根据该计数脉冲的计数值而进行X射线入射量的测定。在专利文献1，也记载有一种作为电阻元件而将栅极(基极)连接于漏极(集电极)的晶体管并联连接于电容器的构成。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开平8-129070号公报
专利文献2：日本专利特开2015-115357号公报
[非专利文献]
非专利文献1：Hirokazu Ikeda，“Electronics for Particle Measurement(粒子测量电子学)”，因特网＜URL:http://research.kek.jp/people/ikeda/KEK_REPORT2002-8/Electronics/day_5.pdf＞,2002年6月28日。
非专利文献2：池田博一「高度センサー信号处理のためのAnalog-VLSI Open-I(用于高度传感器信号处理的模拟-VLSI开放-I)(9)」，因特网＜URL:http://research.kek.jp/people/ikeda/openIP/openIP_9.pdf＞，pp.153-165，平成16年8月22日。
非专利文献3：R.Ballabriga等人，“The Medipix3RX:a high resolution,zerodead-time pixel detector readout chip allowing spectroscopic imaging(Medipix3RX：允许光谱成像的高分辨率、零死区像素检测器读出芯片)”，PUBLISHED BYIPO PUBLISHING FOR SISSA MEDIALAB,14th INTERNATIONAL WORDHOP ON RADIATIONIMAGING DETECTORS(SISSA MEDIALAB的IPO出版发行，第14届国际WORDHOP辐射成像探测器),2012年7月1-5日。
非专利文献4：Rafael Ballabriga Sune，”The Design and Implementation in0.13μm CMOS of an Algorithm Permitting Spectroscopic Imaging with HighSpatial Resolution for Hybrid Pixel Detectors(设计与实现基于高分辨率光谱成像算法的0.13μm CMOS混合像素探测器)”，CERN-THESIS-2010-055.126页,2009年11月24日。
发明内容
发明所要解决的问题
发明人等对现有的光子检测器研究的结果，发现如以下所述的问题。即，由检测X射线的传感器元件、与积分电路(包括包含运算放大器等的放大器、并联连接于该放大器的电容器、及并联连接于该放大器的电阻元件)构成的半导体X射线检测器，不仅可使用于如专利文献1所设想的辨别入射光子的能量大小而计数数量的类型的光子检测器，也可使用于侦测入射光子的能量大小的类型的光子检测器。而且，承担至这些光子检测器的初级放大为止。积分电路的部分也称为前置放大器。在此种前置放大器中，并联连接于电容器的电阻元件为了获得前置放大器的输出信号根据光子的入射而确实地上升并且于适当的时间常数下降那样的特性，而必须具有数百千欧～数十兆欧大小的电阻值。另一方面，前置放大器本身为了高集成化而优选为以小体积构成。另外，在此种前置放大器，也谋求在每单位时间的入射光子数增大的情形时，放大器也不饱和那样的构造。
本发明为了解决如上所述的问题而完成，其目的在于提供一种光子检测器，其具备即便为小体积也具有显示较大电阻值的电阻并且可防止放大器饱和的前置放大器。
解决问题的技术手段
本实施方式的光子检测器至少具备传感器元件、前置放大器、波形整形电路、及比较器。传感器元件为检测光子的电子器件，且输出与入射光子的能量大小对应的电子或空穴。前置放大器将自传感器元件输出的电子或空穴的电荷积分，并将获得的积分值转换成电压信号，然后，将经转换的电压信号放大。波形整形电路将来自前置放大器的输出波形进行整形。比较器将来自波形整形电路的输出信号与基准电压进行比较，且在来自波形整形电路的输出信号的电压电平超过基准电压时输出脉冲。尤其，前置放大器包含第1放大器、电容元件、第1晶体管、及第2晶体管。第1放大器具有输入端与输出端。电容元件为如下电子部件，其具有电连接于第1放大器的输入端的第1端，及电连接于第1放大器的输出端的第2端。第1晶体管是其电阻值随着第1放大器的输出电压的绝对值的增大而增大的电子部件，且具有电连接于第1放大器的输入端侧的第1电极，电连接于第1放大器的输出端侧的第2电极，及电连接于第1固定电位的控制电极。第2晶体管是其电阻值随着第1放大器的输出电压的绝对值的增大而减少的电子部件，且具有与第1晶体管不同的导电类型。另外，第2晶体管具有电连接于第1放大器的输入端侧的第1电极，电连接于第1放大器的输出端侧的第2电极，及电连接于第2固定电位的控制电极。
发明的效果
根据本发明，可实现一种光子检测器，其具备即便为小体积也具有显示较大电阻值的电阻并且可防止放大器饱和的前置放大器。
附图说明
图1为表示第1实施方式的光子检测器的构成例的方块图。
图2为表示第1实施方式的光子检测器所具备的前置放大器的构成例的电路图。
图3(a)～(d)为表示前置放大器的变化例的图。
图4(a)～(d)为表示第1实施方式的光子检测器所具备的极零对消电路的构成例的电路图。
图5为表示第1实施方式的光子检测器所具备的波形整形电路的构成例的电路图。
图6(a)、(b)为表示第1实施方式的光子检测器所具备的比较器的构成例的电路图。
图7为表示一般的MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor：金属氧化物半导体场效晶体管)的电压电流特性、与第1实施方式的n型MOSFET与p型MOSFET的动作的图。
图8为表示第1实施方式的前置放大器的动作的波形的示意图。
图9为表示第1实施方式的波形整形电路的动作的波形的示意图。
图10为表示第1实施方式的比较器的动作的波形的示意图。
图11为用以说明第1实施方式的前置放大器所具有的作为第2晶体管的p型MOSFET的效果的图，(a)为每单位时间入射的光子的数量较少时的各部的波形图，(b)为未设置p型MOSFET的情形时每单位时间入射的光子的数量增加时的各部的波形图，(c)为设置p型MOSFET的情形时每单位时间入射的光子的数量增加时的各部的波形图。
图12为表示第2实施方式的光子检测器的构成例的方块图。
具体实施方式
本发明的实施方式的说明
首先分别个别地列举本案发明的实施方式的内容而进行说明。
(1)本实施方式的光子检测器作为其一形态，至少具备传感器元件、前置放大器、波形整形电路、及比较器。传感器元件为检测光子的电子器件，且输出与入射光子的能量大小对应的电子或空穴。前置放大器将自传感器元件输出的电子或空穴的电荷积分，并将获得的积分值转换成电压信号，然后，将经转换的电压信号放大。波形整形电路将来自前置放大器的输出波形进行整形。比较器将来自波形整形电路的输出信号与基准电压进行比较，且在来自波形整形电路的输出信号的电压电平超过基准电压时输出脉冲。尤其，前置放大器包含第1放大器、电容元件、第1晶体管、及第2晶体管。第1放大器具有输入端与输出端。电容元件为具有电连接于第1放大器的输入端的第1端、及电连接于第1放大器的输出端的第2端的电子部件。第1晶体管为其电阻值随着第1放大器的输出电压的绝对值的增大而增大的电子部件，且具有电连接于第1放大器的输入端侧的第1电极、电连接于第1放大器的输出端侧的第2电极、及电连接于第1固定电位的控制电极。第2晶体管为其电阻值随着第1放大器的输出电压的绝对值的增大而减少的电子部件，且具有与第1晶体管不同的导电类型。另外，第2晶体管具有电连接于第1放大器的输入端侧的第1电极、电连接于第1放大器的输出端侧的第2电极、及电连接于第2固定电位的控制电极。
再者，作为本实施方式的一形态，为了实现用以将输入至第1放大器的输入端的信号多级放大的构造，前置放大器也可进而具备串联配置于第1放大器的输出端侧的1个或其以上的第2放大器。该情形时，电容元件的第2端、第1晶体管的第2电极、及第2晶体管的第2电极的各者与第1及第2放大器的任一输出端设定为相同电位。
在该光子检测器中，由于使第1及第2晶体管作为电阻发挥功能，故可获得即便为小体积也具有显示较大电阻值的电阻的前置放大器。另外，由于在第1晶体管的电阻值接近于无限大那样的放大器输出的电压范围内，可降低第2晶体管的电阻值，故也可防止放大器输出饱和。再者，可通过第1固定电位与第2固定电位而个别地调整第1晶体管作为适当的电阻发挥功能的电压范围与第2晶体管作为适当的电阻发挥功能的电压范围。因此，与「作为专利文献1的电阻元件而将栅极(基极)连接于漏极(集电极)的晶体管并联连接于电容器的积分电路」(以下简称为「专利文献1的积分电路」)、或去除本实施方式的第1晶体管而仅具有第2晶体管的电路相比，该光子检测器的前置放大器可成为可利用较宽的电压范围，且不易引起饱和的电路。
(2)作为本实施方式的一形态，该光子检测器也可进而具备计数器，该计数器对自比较器输出的脉冲的数量进行计数。该情形时，该光子检测器可成为计数入射光子的数量的类型的光子检测器。
(3)作为本实施方式的一形态，该光子检测器也可进而具备峰值保持电路。峰值保持电路保持波形整形电路的输出信号的峰值，且在由来自比较器的输出信号规定的时序输出相当于该保持的峰值的电信号。该情形时，该光子检测器可成为侦测入射光子的能量大小的类型的光子检测器。
(4)作为本实施方式的一形态，传感器元件也可为输出与光子的能量大小对应的电子的元件。该情形时，优选为第1晶体管为n型MOSFET，第2晶体管为p型MOSFET。根据本形态的构成，与使用双极晶体管作为晶体管的情形相比，可减少消耗电力。即，根据本形态的构成，容易实现光子检测器的小型化，可较佳地实现上述第1及第2晶体管。
(5)作为本实施方式的一形态，传感器元件也可为输出与光子的能量大小对应的空穴的元件。该情形时，优选为第1晶体管为p型MOSFET，第2晶体管为n型MOSFET。根据本形态的构成，与使用双极晶体管作为晶体管的情形相比，可减少消耗电力。即，根据本形态的构成，容易实现光子检测器的小型化，可较佳地实现上述第1及第2晶体管。
(6)作为本实施方式的一形态，该光子检测器也可在前置放大器与波形整形电路之间具备极零对消电路。根据本形态的构成，可抑制前置放大器输出的低频率分量使波形整形电路的输出的基线变动。该情形时，通过比较器将入射光子的能量大小以1个阶段或多个阶段辨别并进行计数时、及侦测入射光子的能量大小时的精度提高。此点也为相对于具备专利文献1的积分电路的半导体X射线检测器的优越效果。即，该极零对消电路是在专利文献1的积分电路的后级难以采用的电路。难以进行该采用的理由在于，在专利文献1的积分电路中，无法自由调整晶体管的电阻值(因电阻值仅通过源极(射极)、漏极(集电极)的电位与晶体管的尺寸决定)，而难以与极零对消电路匹配。在本实施方式中，由于可任意调整第1固定电位与第2固定电位，故不存在此种困难。
(7)作为本实施方式的一形态，比较器也可包含基准电压产生电路，该基准电压产生电路具有源极跟随器电路、及连接于该源极跟随器电路的输出节点的可变电流源。该情形时，可容易且高精度地进行各个对应于1个传感器元件的每一像素的检测灵敏度的调整。另外，作为本实施方式的一形态，构成源极跟随器电路的一部分的输入MOSFET的背栅极也可连接于源极跟随器电路的输出节点。该情形时，可改善源极跟随器电路的输出电压变化相对于可变电流源的电流变化的直线性。此外，可增大输出电压的可变范围。
以上，该[本案发明的实施方式的说明]的栏所列举的各形态可适用于其余所有形态的各者，或这些其余形态的所有组合。
[本案发明的实施方式的详细内容]
以下，一面参照附图，一面详细地说明本实施方式的光子检测器的具体构造。再者，本发明并非限定于这些例示，而是由权利要求表示，且意图包含与权利要求均等的意义及范围内的所有变更。另外，在附图的说明中，对相同要素标注相同符号并省略重复的说明。
(第1实施方式)
(电路构成)
图1为表示第1实施方式的光子检测器100的构成例的方块图。本实施方式的光子检测器100是也可称为「光子计数检测器」的器件。另外，该光子检测器100如图1所示，具备传感器元件110、前置放大器120、极零对消电路130、波形整形电路140、比较器150、及计数器160。这些电路要素依序串联连接。另外，通过前置放大器120、极零对消电路130、波形整形电路140、比较器150、及计数器160而构成一个系统的信号处理系统。
传感器元件110是输出与入射的光子的能量大小对应的电子的元件(电子器件)。传感器元件110是如下元件，其例如构成为对配置于化合物半导体的一面的荷电电极施加负的高电压，另一方面，自配置于另一面的集电电极取出与光子的能量大小对应的电子。关于传感器元件110的具体构造，记载于上述专利文献2。另外，传感器元件110代表性而言是与以下说明的一个系统的信号处理系统一对一对应的单一元件(构成一个像素)。再者，也可以对一个系统的信号处理系统采用一对多的构成的方式，通过多个传感器元件110而构成排列成二维状的传感器阵列的像素群。
前置放大器120是将自传感器元件110输出的电子的电荷积分，并将获得的积分值转换成电压信号，然后将经转换的电压信号放大的电路。图2是表示本实施方式的前置放大器120的构成例的电路图。如图2所示，前置放大器120具有放大器(第1放大器)121，并且具有分别配置于将该放大器121的输入端侧与输出端侧电连接的多条配线的电容元件122、n型MOSFET 123(第1晶体管)、及p型MOSFET 124(第2晶体管)。即，放大器121的输入端(包含输入电极)、电容元件122的第1端、n型MOSFET 123的第1电极(源极S)、及p型MOSFET 124的第1电极(漏极D)成为相同电位。另一方面，放大器121的输出端(包含输出电极)、电容元件122的第2端、n型MOSFET 123的第2电极(漏极D)、及p型MOSFET 124的第2电极(源极S)成为相同电位。而且，n型MOSFET 123及p型MOSFET 124各者的栅极G(控制电极)1231、1241分别连接于施加第1固定电位V1及第2固定电位V2的配线。
此处，第1固定电位V1设定为使n型MOSFET 123如以下的(a)或(b)所规定那样动作的值。
(a)在放大器121的输出电压V0相对较小的范围内漏极-源极间的电阻值成为适当的值(例如数百千欧～数十兆欧)。
(b)若放大器121的输出电压V0变大，则漏极-源极间的电阻值接近于无限大。
另外，第2固定电位V2设定为使p型MOSFET 124如以下的(a)或(b)所规定那样动作的值。
(a)在放大器121的输出电压V0相对较小的范围内漏极-源极间的电阻值几乎为无限大。
(b)若放大器121的输出电压V0变大，则漏极-源极间的电阻值成为适当的值。
再者，放大器121的输出电压V0是放大器121的输入电极侧的电位(基准电位)与输出电极侧的电位之间的电位差。
另外，前置放大器120也可具备用以将输入至放大器121的输入端的信号多级放大的构造。在图3(a)～图3(d)所示的例中，通过放大器121与串联配置于该放大器121的输出端侧的后级放大器(第2放大器)121A而构成多级放大构造，且电容元件122的第2端、n型MOSFET 123的第2电极、及p型MOSFET 124的第2电极各者电连接于放大器121的输出端侧。再者，在图3(a)～图3(d)的例中，仅显示1个后级放大器121A，但也可将多个后级放大器121A串联配置于放大器121的输出侧。
具体而言，在图3(a)的例中，电容元件的第2端、n型MOSFET 123的第2电极、及p型MOSFET 124的第2电极各者通过连接于自后级放大器121A的输出端延伸的配线，而与后级放大器121A的输出端设定为相同电位。在图3(b)的例中，电容元件的第2端、n型MOSFET 123的第2电极、及p型MOSFET 124的第2电极各者通过连接于连结放大器121的输出端与后级放大器121A的输入端的配线，而与放大器121的输出端设定为相同电位。在图3(c)的例中，电容元件的第2端通过连接于自后级放大器121A的输出端延伸的配线，而与后级放大器121A的输出端设定为相同电位。另一方面，n型MOSFET 123的第2电极及p型MOSFET 124的第2电极各者通过连接于连结放大器121的输出端与后级放大器121A的输入端的配线，而与放大器121的输出端设定为相同电位。再者，在图3(d)的例中，电容元件的第2端通过连接于连结放大器121的输出端与后级放大器121A的输入端的配线，而与放大器121的输出端设定为相同电位。另一方面，n型MOSFET 123的第2电极及p型MOSFET 124的第2电极各者通过连接于自后级放大器121A的输出端延伸的配线，而与后级放大器121A的输出端设定为相同电位。
图4(a)～图4(c)是分别表示极零对消电路130的构成例的电路图，图4(d)是构成图4(a)～图4(c)的电阻元件132的电路的一例。图4(a)所示的极零对消电路130A具有相互并联连接的电容元件131及电阻元件132。图4(b)所示的极零对消电路130B除图4(a)的极零对消电路130A的构成以外，也具有配置于电容元件131及电阻元件132的输出侧端子与基准电位线之间的电阻元件133。图4(c)所示的极零对消电路130C除图4(a)的极零对消电路130A的构成以外，也具有与电容元件131串联且与电阻元件132并联连接的电阻元件134。图4(a)～图4(c)的电阻元件132也可由通常的电阻体构成，也可由1个MOSFET构成。再者，图4(a)～图4(c)的电阻元件132优选如图4(d)所示，由n型MOSFET 135与p型MOSFET 136并联连接的电路构成。在n型MOSFET 135与p型MOSFET 136的栅极1351、1361分别连接适当的固定电位V1a、V2a。即便在采用任一电路构成的情形时，极零对消电路130的时间常数也设定为与前置放大器120的时间常数(通过电容元件122的电容值与MOSFET 123、124的电阻值而决定的时间常数)匹配的值。此时，为了增大前置放大器120与波形整形电路140的信号的增益，优选考虑以下设定。
(a)前置放大器的电容元件122的电容值设定为较极零对消电路130的电容元件131的电容值小的值。
(b)前置放大器120的MOSFET 123、124的电阻值设定为较极零对消电路130的电阻元件132或n型MOSFET 135与p型MOSFET 136的电阻值大的值(固定电位V1a、V2a的设定)。
波形整形电路140是将前置放大器120的输出的波形进行整形的电路。图5是表示波形整形电路140的构成例的电路图。如图5所示，波形整形电路140是具有与图2所示的前置放大器120相同的构成的电路。即，波形整形电路140具有放大器141，并且具有分别配置于将该放大器141的输入端侧与输出端侧电连接的多条配线的电容元件142、n型MOSFET143、及p型MOSFET 144。然而，通过电容元件142的电容值与MOSFET143、144的漏极-源极间的电阻值而决定的时间常数，设定为较通过图2所示的前置放大器120的电容元件122的电容值与MOSFET 123、124的漏极-源极间的电阻值决定的时间常数小的值(固定电位V1b、V2b的设定)。再者，波形整形电路140并非必须具有n型MOSFET 143与p型MOSFET 144此二者。具体而言，波形整形电路140也可为n型MOSFET 143与p型MOSFET 144中的例如仅n型MOSFET143与电容元件141一同分别配置于将放大器141的输入端侧与输出端侧电连接的多条配线的电路。
比较器150是将波形整形电路140的输出电压与基准电压Vth进行比较，且在每次波形整形电路140的输出电压超过基准电压Vth时输出脉冲的电路。图6(a)是表示比较器150的一构成例的电路图，图6(b)是表示比较器150的另一构成例的电路图。图6(a)与图6(b)是基准电压产生电路的构成不同。如图6(a)及图6(b)所示，比较器150具有比较电路151、与基准电压产生电路152或153。比较电路151的一输入电极1511与波形整形电路140的输出端连接，另一输入电极1512与基准电压产生电路152或153的输出端连接。
基准电压产生电路152包含：源极跟随器电路1521，其包含相互串联连接的2个n型MOSFET；及可变电流源1523，其连接于该源极跟随器电路1521的输出节点1522。输出节点1522与可变电流源1523之间的节点N1，与比较器151的另一输入电极1512连接。源极跟随器电路1521包含一n型MOSFET(输入MOSFET)1524、及构成电流镜电阻的另一n型MOSFET。源极跟随器电路1521的一n型MOSFET 1524的背栅极1525，连接(短路)于源极跟随器电路1521的输出节点1522。再者，固定电位V1c是较输出节点1522的电位略高的电位，固定电位V1c与输出节点1522的电位差设定为一n型MOSFET 1524的阈值以下。另外，通过另一n型MOSFET构成的电流镜电阻，由连接于该另一n型MOSFET的栅极的固定电位V2c规定。
基准电压产生电路153包含具有相互串联连接的2个p型MOSFET的源极跟随器电路1531、及连接于该源极跟随器电路1531的输出节点1532的可变电流源1533。输出节点1532与可变电流源1533之间的节点N2与比较器151的另一输入电极1512连接。源极跟随器电路1531包含一p型MOSFET(输入MOSFET)1534、及构成电流镜电阻的另一p型MOSFET。源极跟随器电路1531的一p型MOSFET1534的背栅极1535连接(短路)于源极跟随器电路1531的输出节点1532。再者，固定电位V1d是较输出节点1532的电位略低的电位，固定电位V1d与输出节点1532的电位差设定为一p型MOSFET1534的阈值以下。另外，通过另一n型MOSFET构成的电流镜电阻由连接于该另一n型MOSFET的栅极的固定电位V2c规定。
计数器160是对自比较器150输出的脉冲的数量进行计数的电路。计数器160只要为具有计数脉冲数量的功能的电路，则可为任意电路。
(动作)
如以上那样构成的光子检测器100如以下那样动作。
首先，若对传感器元件110入射光子，则传感器元件110输出与入射光子的能量大小对应的数量的电子。输出的电子输入至前置放大器120。若自传感器元件110将具有负的电荷的电子输入至前置放大器120，则放大器121的输入电极的电位保持基准电位(放大器121的输入电极侧的电位)，而该放大器121的输出侧的电位仅上升与输入的电子的电荷量成比例的电压量。
此处，电容元件122、n型MOSFET 123、及p型MOSFET 124的各两端的电位差等于放大器121的输出电压V0。然而，n型MOSFET 123的连接于放大器121的输出电极的侧(第2电极)成为漏极，与此相对，p型MOSFET 124的连接于放大器121的输出电极的侧(第2电极)成为源极。因此，视源极为基准的漏极电压Vds在n型MOSFET 123成为正的值，与此相对，在p型MOSFET 124成为负的值。
若将连接于n型MOSFET 123的栅极1231的第1固定电位V1设定为例如相对于基准电位高出n型MOSFET 123的阈值电压以下的适当值的值，则n型MOSFET 123在次临限区域(弱反转区域)内动作。因此，该n型MOSFET 123的漏极-源极间的电阻值在放大器121的输出电压V0相对较小的范围内成为数百千欧～数十兆欧。另一方面，若放大器121的输出电压V0变大，则该电阻值接近于无限大。该情况通过图7的点A及点B表示。即，在放大器121的输出电压V0相对较小的范围内，n型MOSFET 123的动作点例如位于点A附近，但若放大器121的输出电压V0变大，则该动作点例如沿着虚线箭头向点B附近移动。
其次，若对p型MOSFET 124进行观察，则视源极为基准的漏极电压Vds成为使放大器121的输出电压V0的符号反转的值。另外，视源极为基准的栅极电压Vgs成为在漏极电压Vds加上第2固定电位V2与基准电位的差电压(固定电压)而得的值。因此，若将第2固定电位V2设定为适当的值，则p型MOSFET 124的漏极-源极间的电阻值在放大器121的输出电压V0小于特定值的范围几乎成为无限大。另一方面，若放大器121的输出电压V0超过特定值，则该电阻值变化为较小的值。该情况通过图7的点C与点D表示。即，在放大器121的输出电压V0小于特定值的范围，p型MOSFET 124的动作点例如位于点C附近，但若放大器121的输出电压V0变大，则该动作点例如沿着虚线箭头向点D附近移动。
由于n型MOSFET 123及p型MOSFET 124如上所述那样动作，故前置放大器120的放电时间常数在放大器121的输出电压V0较小时相对较大，若放大器121的输出电压V0变大则其变小。
再者，在图7中，纵轴的Ids是漏极-源极间的电流值，横轴的Vds是漏极-源极间的电压值。另外，Vgsn是n型MOSFET 123的栅极-源极间电压，Vgsp是p型MOSFET 124的栅极-源极间电压。根据栅极-源极间电压Vgsn、Vgsp的变化，如图7所示，n型MOSFET 123及p型MOSFET 124的电压电流特性变化。
图8是示意性表示光子的入射时序与前置放大器120的输出波形的图。如图8所示，前置放大器120的输出电压(与放大器121的输出电压V0相同)较小时前置放大器120的放电时间常数相对较大。因此，该前置放大器120的输出电压仅略微下降(每次入射光子时前置放大器120的输出电压大致阶梯状地上升)。然而，若前置放大器120的输出电压变大至某种程度以上，则前置放大器120的放电时间常数变小。该情形时，前置放大器120的输出电压急剧下降，其输出波形成为锯齿状。再者，图9是表示波形整形电路140的动作的波形的示意图，图10是表示比较器150的动作的波形的示意图。
来自前置放大器120的如图8所示的波形的输出信号经由极零对消电路130而输入至波形整形电路140。极零对消电路130是用以抑制前置放大器120输出的低频率分量使波形整形电路140的输出信号的基线(图9的下侧的波形的水平线)变动的电路。例如，在对前置放大器120无输入的期间持续一段时间而前置放大器120的输出慢慢下降那样的情形时，极零对消电路130也以抑制波形整形电路140的输出的基线变动的方式作用。
在波形整形电路140中，来自前置放大器120的如图8的下侧所示的波形，即图9的上侧所示的波形被整形为如图9的下侧所示的波形(适于在下一级的比较器150的比较的波形)。波形整形电路140的输出电压在比较器150中，与自基准电压产生电路152输出的基准电压Vth进行比较。如图10的下侧所示，在每次波形整形电路140的输出电压低于基准电压Vth时，自比较器150输出脉冲。再者，自基准电压产生电路152输出的基准电压Vth通过调整可变电流源1523的电流值而进行调整。自比较器150输出的脉冲通过计数器160计数，且其计数值以表示入射光子的数量的数字的形式输出。
(效果)
根据本实施方式，由于使n型MOSFET 123与p型MOSFET 124作为电阻发挥功能，故可获得即便为小体积也具有表示较大电阻值的电阻的前置放大器120。
另外，根据本实施方式，在n型MOSFET 123的电阻值接近于无限大那样的放大器输出V0的电压范围内，可降低p型MOSFET 124的电阻值(可防止放大器输出V0饱和)。该效果表示于图11(a)～图11(c)。图11(a)是在每单位时间入射的光子的数量较少时的各部的波形图。该情形时，有无p型MOSFET 124并不显现于波形的差异。图11(b)是未设置p型MOSFET124的情形时每单位时间入射的光子的数量增加时的各部的波形图。图11(c)是设置p型MOSFET 124的情形时每单位时间入射的光子的数量增加时的各部的波形图。如图11(a)所示，在每单位时间入射的光子的数量较少时，与有无p型MOSFET 124无关，前置放大器120的输出根据光子的入射时序而以阶梯状上升，波形整形电路140可输出与光子的入射时序对应的波形。然而，如图11(b)所示，若未设置p型MOSFET 124的情形时每单位时间入射的光子的数量增加，则前置放大器120的输出饱和，波形整形电路140无法输出波形。与此相对，如本实施方式那样设置p型MOSFET 124的情形时，即便每单位时间入射的光子的数量增加，前置放大器120也不会饱和，波形整形电路140可输出与光子的入射时序对应的波形。
根据本实施方式，可通过第1固定电位V1与第2固定电位V2而个别地调整n型MOSFET 123作为适当的电阻发挥功能的电压范围与p型MOSFET 124作为适当的电阻发挥功能的电压范围。因此，与专利文献1的积分电路、或自本实施方式去除n型MOSFET 123而仅使p型MOSFET 124作为电阻发挥功能的电路相比，本实施方式的前置放大器120可成为可利用较宽的电压范围，且不易引起饱和的电路。
另外，如专利文献1那样，在欲使用栅极(基极)连接于漏极(集电极)的1个晶体管而获得适当的电阻值的情形时，可调整的参数仅为1个晶体管的各种尺寸或材料。该情形时，有设计的自由度较低，且用于获得适当的电阻值的调整较为困难的可能性。与此相对，在本实施方式中，除n型MOSFET 123及p型MOSFET 124的各种尺寸(栅极长度、栅极宽度等)或材料外，也可调整供给至控制电极的固定电位V1、V2。因此，本实施方式设计的自由度较高，且用于获得适当的电阻值的调整较为容易。
在本实施方式中，第1晶体管设为n型MOSFET 123，第2晶体管设为p型MOSFET 124。因此，与使用双极晶体管作为第1及第2晶体管的情形相比，本实施方式可减少消耗电力，且容易实现光子检测器的小型化。
在本实施方式中，在前置放大器120与波形整形电路140之间具备极零对消电路130。该情形时，可抑制前置放大器120的输出的低频率分量使波形整形电路140的输出的基线(图9的下侧的波形的水平线)变动，而提高利用比较器150辨别入射光子的能量大小时的精度。该点也为对于具备专利文献1的积分电路的半导体X射线检测器的优越效果。即，该极零对消电路130是难以在专利文献1的积分电路之后级采用的电路。难以进行该采用的理由在于，在专利文献1的积分电路中，无法自由调整晶体管的电阻值(因电阻值仅通过源极(射极)、漏极(集电极)的电位与晶体管的尺寸决定)，而难以取得与极零对消电路的匹配。在本实施方式中，由于可任意调整第1固定电位V1与第2固定电位V2，故不存在此种困难。
在本实施方式中，比较器150具有基准电压产生电路152、153，这些基准电压产生电路152、153包含源极跟随器电路1521、1531，及连接于这些源极跟随器电路1521、1531的输出节点1522、1532的可变电流源1523、1533。通过此种构成，在针对每一像素设置光子检测器的情形(传感器元件110与一个系统的信号处理系统一对一对应的构成)时，可容易且高精度地进行每一像素的检测灵敏度的调整。另外，源极跟随器电路1521、1531的输入MOSFET 1524、1534的背栅极1525、1535连接于源极跟随器电路1521、1531的输出节点1522、1532。由此，可改善源极跟随器电路1521、1531的输出电压Vth的变化相对于可变电流源1523、1533的电流变化的直线性，且可增大输出电压Vth的可变范围。
(第2实施方式)
图12是表示第2实施方式的光子检测器200的构成的方块图。如比较图1与图12可知，第2实施方式的光子检测器200与第1实施方式的光子检测器100的主要不同点为，替代第1实施方式的计数器160而具备峰值保持电路260、输出开关270、及输出使能信号产生电路280。关于峰值保持电路260的具体构成，记载于上述非专利文献1(图6)及上述非专利文献2。关于输出使能信号产生电路280的具体构成，记载于上述非专利文献3及上述非专利文献4。再者，第1实施方式(图1)在前置放大器120与波形整形电路140之间设置极零对消电路130，第2实施方式也可同样在前置放大器220与波形整形电路240之间设置极零对消电路。关于其他构成，第1实施方式与第2实施方式具有共通的构成。以下，以与该第1实施方式不同的部分为中心进行说明。
如图12所示，本实施方式的光子检测器200具备传感器元件210(与传感器元件110具有相同构造)、前置放大器220(与前置放大器120具有相同构造)、波形整形电路240(与波形整形电路140具有相同构造)、比较器250(与比较器150具有相同构造)、峰值保持电路260、输出开关270、及输出使能信号产生电路280。这些电路要素中的传感器元件210、前置放大器220、波形整形电路240、峰值保持电路260、及输出开关270依序串联连接。另外，比较器250是其输入连接于波形整形电路240的输出，且其输出供给至峰值保持电路260与输出使能信号产生电路280。通过前置放大器220、波形整形电路240、比较器250、峰值保持电路260、输出开关270、及输出使能信号产生电路280，构成与传感器元件210一对一对应设置的一个系统的信号处理系统。
由于传感器元件210、前置放大器220、波形整形电路240、比较器250分别为与第1实施方式的传感器元件110、前置放大器120、波形整形电路140、比较器150相同的构成，故此处省略说明。
峰值保持电路260是保持波形整形电路240的输出的峰值，且将该保持的峰值经由输出开关270而向总线(共用信号线)输出的电路。
输出使能信号产生电路280是基于判别总线是否忙碌(是否为正从其他像素电路向总线读取信号的状态)的总线监视器信号与比较器250的输出，而对输出开关270输出输出使能信号的电路。
输出开关270是在来自输出使能信号产生电路280的输出使能信号表示输出使能时，将峰值保持电路260所保持的峰值向总线(共用信号线)输出的电路。
再者，波形整形电路240也可由前置放大器220的输出共通输入且具有独立的输出的2个波形整形电路构成。该情形时，一波形整形电路的输出供给至比较器250，另一波形整形电路的输出连接于峰值保持电路260。
另外，比较器250的输出也可供给至除峰值保持电路260与输出使能信号产生电路280以外的电路，例如相当于图1的计数器160的电路。
如以上那样构成的光子检测器200的峰值保持电路260、输出开关270、输出使能信号产生电路280以协同动作而保持波形整形电路240的输出的峰值，且将保持的峰值在通过比较器250的输出而规定的时序向总线输出的方式动作。由此，光子检测器200可将与入射光子的能量大小成比例的信号向总线输出。
以上，对本发明的第1实施方式与第2实施方式进行了说明，但本发明并非限定于上述的实施方式。例如，在上述第1实施方式中，比较器150与计数器160分别为1个，光子的能量仅以1阶段辨别。然而，第1实施方式也可构成为通过设置基准电压互不相同的多个比较器、及与比较器对应的多个计数器，而将光子的能量以多个阶段辨别并分别计数。该情形时，可构成可获得更多信息的X射线摄像装置等。另外，在此种情形时，极零对消电路变得更有效。
另外，在上述第2实施方式中省略极零对消电路，但于第2实施方式中也可在前置放大器220与波形整形电路240之间设置与极零对消电路130相同的极零对消电路。该情形时，检测入射光子的能量大小的精度提高。
在上述第1实施方式中，在前置放大器120与波形整形电路140之间具备极零对消电路130，但于各种条件允许的情形时，也可不具备极零对消电路130。
作为传感器元件，在上述各实施方式中例示输出与入射的光子的能量大小对应的电子的传感器元件110，但本发明并未限定于此。传感器元件也可为输出与入射的光子的能量大小对应的空穴的传感器元件。
在上述各实施方式中，第1晶体管为n型MOSFET 123，第2晶体管为p型MOSFET 124，但本发明并未限定于此。例如，在采用输出空穴的元件作为传感器元件的情形时，优选为将第1晶体管设为p型MOSFET，将第2晶体管设为n型MOSFET。另外，第1及第2晶体管并未限定于MOSFET。例如，第1及第2晶体管也可均为双极晶体管。在该情形时，使用npn型的双极晶体管代替n型MOSFET，使用pnp型的双极晶体管代替p型MOSFET。另外，各双极晶体管的基极、发射极、集电极分别对应于各MOSFET的栅极、源极、漏极。如此一来，各双极晶体管与各MOSFET同样地动作。
在上述各实施方式中，波形整形电路140具有如图5所示的电路构成(如上所述，也可无图5的MOSFET143与144的任一者)，但本发明并未限定于此。例如，也可替代图5所示的MOSFET 143及144而使用由电阻体构成的电阻元件等任意的电阻元件。
在上述各实施方式中，如图10所示，波形整形电路140为反转输出类型，比较器150为每次波形整形电路140的输出低于基准电压Vth时输出脉冲的比较器。然而，波形整形电路也可为非反转输出类型，比较器150也可为每次波形整形电路的输出高于特定的基准电压时输出脉冲的比较器。
在上述各实施方式中，比较器150具有基准电压产生电路152、153，这些基准电压产生电路152、153包含源极跟随器电路1521、1531、及连接于这些源极跟随器电路1521、1531的输出节点1522、1532的可变电流源1523、1533，但本发明并未限定于此。例如比较器也可构成为本身不具有基准电压产生电路而自被外部供给基准电压，也可具有不包含源极跟随器电路的基准电压产生电路。
在上述各实施方式中，源极跟随器电路1521、1531的输入MOSFET1524、1534的背栅极1525、1535连接于源极跟随器电路1521、1531的输出节点1522、1532，但本发明并未限定于此。源极跟随器电路1521的输入MOSFET1524的背栅极也可不连接于源极跟随器电路1521、1531的输出节点1522、1532。
在上述各实施方式中，图1及图12所示的各构成要素于一前一后的构成要素间相互直接连接，但本发明并未限定于此。在这些各构成要素之间，也可介置电流放大器等上述各实施方式中未出现的电路。
符号说明
100、200 光子检测器
110、210 传感器元件
120、220 前置放大器
130 极零对消电路
140、240 波形整形电路
150、250 比较器
160 计数器
121 放大器(第1放大器)
121A 后级放大器(第2放大器)
122 电容元件
123 n型MOSFET(第1晶体管)
124 p型MOSFET(第2晶体管)
142 电容元件
143、144 MOSFET
151 比较电路
152 基准电压产生电路
1231 n型MOSFET(第1晶体管)的栅极(控制电极)
1241 p型MOSFET(第2晶体管)的栅极(控制电极)
1511 比较电路的一输入电极
1512 比较电路的另一输入电极
1521、1531 源极跟随器电路
1522、1532 源极跟随器电路的输出节点
1523、1533 可变电流源
1524、1534 源极跟随器电路的输入MOSFET
1525、1535 输入MOSFET的背栅极
260 峰值保持电路
270 输出开关
280 输出使能信号产生电路

Claims (9)

1.一种光子检测器，其特征在于，
具备：
传感器元件，其输出与入射光子的能量大小对应的电子或空穴；
前置放大器，其是电连接于所述传感器元件的前置放大器，且输入自所述传感器元件输出的电子或空穴的电荷，并将自所述电荷的积分值转换而成的电压信号放大；
波形整形电路，其是电连接于所述前置放大器的波形整形电路，且输入来自所述前置放大器的输出信号，并将来自所述前置放大器的输出信号的波形进行整形；及
比较器，其是电连接于所述波形整形电路的比较器，且输入来自所述波形整形电路的输出信号，并响应来自超过基准电压的电压电平的所述波形整形电路的输出信号的输入而输出脉冲，
所述前置放大器包含：
第1放大器，其具有输入端与输出端；
电容元件，其具有电连接于所述第1放大器的所述输入端侧的第1端、与电连接于所述第1放大器的所述输出端侧的第2端；
第1晶体管，其随着所述第1放大器的输出电压的绝对值的增大而电阻值增大，且具有电连接于所述第1放大器的所述输入端侧的第1电极、电连接于所述第1放大器的所述输出端侧的第2电极、及连接于第1固定电位的控制电极；及
第2晶体管，其具有与所述第1晶体管不同的导电类型并且随着所述第1放大器的输出电压的绝对值的增大而电阻值减少，且具有电连接于所述第1放大器的所述输入端侧的第1电极、电连接于所述第1放大器的所述输出端侧的第2电极、及连接于第2固定电位的控制电极。
2.如权利要求1所述的光子检测器，其中，
为了将输入至所述第1放大器的所述输入端的信号多级放大，所述前置放大器还包含串联配置于所述第1放大器的所述输出端侧的1个或1个以上的第2放大器，
所述电容元件的所述第2端、所述第1晶体管的所述第2电极、及所述第2晶体管的所述第2电极的各个与所述第1及第2放大器的任一输出端设定为相同电位。
3.如权利要求1或2所述的光子检测器，其中，还包含计数器，该计数器对自所述比较器输出的脉冲的数量进行计数。
4.如权利要求1至3中任一项所述的光子检测器，其中，还包含峰值保持电路，该峰值保持电路保持来自所述波形整形电路的输出信号的峰值，且在由所述比较器的输出信号规定的时序输出相当于所述保持的峰值的电信号。
5.如权利要求1至4中任一项所述的光子检测器，其中，
所述传感器元件是输出与所述光子的能量大小对应的电子的元件，
所述第1晶体管为n型MOSFET，
所述第2晶体管为p型MOSFET。
6.如权利要求1至4中任一项所述的光子检测器，其中，
所述传感器元件是输出与所述光子的能量大小对应的空穴的元件，
所述第1晶体管为p型MOSFET，
所述第2晶体管为n型MOSFET。
7.如权利要求1至6中任一项所述的光子检测器，其中，在所述前置放大器与所述波形整形电路之间具备极零对消电路。
8.如权利要求1至7中任一项所述的光子检测器，其中，所述比较器包含基准电压产生电路，该基准电压产生电路具有源极跟随器电路、及连接于所述源极跟随器电路的输出节点的可变电流源。
9.如权利要求8所述的光子检测器，其中，构成所述源极跟随器电路的一部分的输入MOSFET的背栅极连接于所述源极跟随器电路的输出节点。
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