CN111226138B

CN111226138B - 能够进行噪声操控的辐射检测器

Info

Publication number: CN111226138B
Application number: CN201780096008.4A
Authority: CN
Inventors: 曹培炎; 刘雨润
Original assignee: Shenzhen Xpectvision Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Xpectvision Technology Co Ltd
Priority date: 2017-10-26
Filing date: 2017-10-26
Publication date: 2023-11-07
Anticipated expiration: 2037-10-26
Also published as: EP3701287A1; CN111226138A; US20230057535A1; TWI796374B; US11860322B2; US20230065682A1; WO2019080036A1; US20230063854A1; US11520065B2; US11815636B2; US20200249366A1; EP3701287A4; TW201917417A; US11740369B2

Abstract

本文公开了一种辐射检测器，包括：雪崩光电二极管(APD)，该雪崩光电二极管具有与电极联接的第一侧，并且该雪崩光电二极管配置成在线性模式中工作；电容器模块(709)，该电容器模块(709)电连接到电极，并且包括电容器，其中电容器模块(709)配置成把来自电极的载流子收集到电容器上；与电容器并联的电流源出模块(788)，电流源出模块(788)配置成补偿APD中的漏电流，并且包括电流源(901)和调制器(902)；其中，电流源(901)配置成输出第一电流和第二电流；调制器(902)配置成控制电流源(901)输出第一电流的时长与电流源(901)输出第二电流的时长的比率。

Description

能够进行噪声操控的辐射检测器

【技术领域】

本公开文涉及辐射检测器，具体来说涉及基于能够进行噪声操控的雪崩二极管的辐射检测器。

【背景技术】

辐射检测器是测量辐射属性的装置。所述属性的示例可包括辐射强度的空间分布、相位和辐射偏振。辐射可以是与对象相互作用的辐射。例如，由辐射检测器测量的辐射可以是已穿透对象或者从对象反射回来的辐射。所述辐射可以是电磁辐射，例如红外光、可见光、紫外光、X射线或γ射线。辐射可以是其他类型的辐射，例如α射线和β射线。

一种类型的辐射检测器基于辐射与半导体之间的相互作用。例如，这种类型的辐射检测器可具有：半导体层，该半导体层吸收辐射并产生载流子(例如电子和空穴)；以及用于检测载流子的电路。

辐射检测器会被“暗”噪声(例如漏电流)不利地影响。辐射检测器中的暗噪声包括即使没有辐射入射到辐射检测器时也存在的物理效应，所述辐射是辐射检测器配置成要进行检测的辐射。隔离或降低暗噪声对辐射检测器检测的总体信号的影响有助于使得辐射检测器更为有用。

【发明内容】

本文公开了一种辐射检测器，包括：雪崩光电二极管(APD)，具有耦合到电极的第一侧，并且配置成工作在线性模式中；电容器模块，电连接到电极，并且包括电容器，其中电容器模块配置成把来自电极的载流子收集到电容器上；与电容器并联的电流源出模块，电流源出模块配置成补偿APD中的漏电流，并且包括电流源和调制器；其中电流源配置成输出第一电流和第二电流；调制器配置成控制电流源输出第一电流的时长与电流源输出第二电流的时长的比率。

按照实施例，电流源出模块是可调整的。

按照实施例，电流源出模块配置成经电流源出模块转移APD的漏电流。

按照实施例，第一电流和第二电流在幅值、方向或者这两个方面是不同的。

按照实施例，第一电流和第二电流中的至少一者比APD的漏电流要大至少一个数量级。

按照实施例，暗噪声的电流是1pA至1000pA。

按照实施例，调制器包括处理器或存储器。

按照实施例，调制器包括开关。

按照实施例，辐射包括软X射线、紫外(UV)光或者远紫外(EUV)光。

按照实施例，电流源包括电流反射镜。

按照实施例，调制器位于电流反射镜的输入级。

按照实施例，调制器包括电流源，该电流源配置成以交替幅值来输出电流。

按照实施例，调制器包括电流源，该电流源配置成以可调整的时长比率来输出电流的两个幅值。

按照实施例，调制器位于电流反射镜的输出级。

按照实施例，调制器包括开关，该开关配置成将电流源出模块可控地连接到电容器以及将该电流源出模块与电容器可控地断开连接。

按照实施例，辐射检测器还包括：第一电压比较器，配置成将电极的电压与第一阈值进行比较；第二电压比较器，配置成将电压与第二阈值进行比较；计数器，配置成记录吸收层所吸收的光子数量；控制器；其中控制器配置成从第一电压比较器确定电压的绝对值等于或超过第一阈值的绝对值的时刻起开始时间延迟；控制器配置成在该时间延迟期间(包括开始和终止)启动第二电压比较器；控制器配置成在第二电压比较器确定电压的绝对值等于或超过第二阈值的绝对值时使计数器所记录的数量增加一。

按照实施例，控制器配置成在时间延迟开始或终止时启动第二电压比较器。

按照实施例，该设备还包括伏特计，以及控制器配置成在时间延迟终止时使电压计测量电压。

按照实施例，控制器配置成基于在时间延迟到期时所测量的电压的值来确定X射线光子能量。

按照实施例，控制器配置成将电极连接到电接地。

按照实施例，电压的变化率在时间延迟到期时基本上为零。

按照实施例，电压的变化率在时间延迟到期时基本上为非零。

按照实施例，该设备包括APD阵列。

本文所公开的是一种包括上述设备以及X射线源的系统，其中该系统配置成对人体胸腔或腹部执行X射线照相。

按照实施例，该系统包括上述设备以及X射线源，其中该系统配置成对人体口腔执行X射线照相。

本文所公开的是一种货物扫描或者非侵入式检查(NII)系统，包括上述设备以及X射线源，其中货物扫描或者非侵入式检查(NII)系统配置成使用后向散射X射线来形成图像。

本文所公开的是一种货物扫描或者非侵入式检查(NII)系统，包括上述设备以及X射线源，其中货物扫描或者非侵入式检查(NII)系统配置成使用经过被检查对象所透射的X射线来形成图像。

本文所公开的是一种全身扫描器系统，包括上述设备以及X射线源。

本文所公开的是一种X射线计算机断层扫描(x射线CT)系统，包括上述设备以及X射线源。

本文所公开的是一种电子显微镜，包括上述设备、电子源以及电子光学系统。

本文所公开的是一种系统，包括上述设备，其中该系统是X射线望远镜或X射线显微镜，或者其中该系统配置成执行乳房X射线照相、工业缺陷检测、显微射线照相、铸件检查、焊接检查或数字减影血管造影。

本文所公开的是一种方法，包括：确定工作在线性模式的雪崩光电二极管(APD)的信号中的漏电流的贡献值；基于漏电流的贡献值、第一补偿信号和第二补偿信号来确定第一补偿信号的时长与第二补偿信号的时长的比率；以及采用具有该比率的相应时长的第一补偿信号和第二补偿信号来补偿APD的信号的漏电流。

按照实施例，贡献值通过在APD没有接收辐射的同时测量信号来确定。

按照实施例，第一补偿信号和第二补偿信号是电流。

本文所公开的是一种方法，包括：当雪崩光电二极管(APD)没有接收辐射并且存在对APD漏电流的补偿时测量工作在线性模式中的APD的信号；如果信号超过第一电平，则开始时间延迟；测量时间延迟结束时APD的信号；以及如果时间延迟结束时的信号超过第二电平，则增加对漏电流的补偿。

按照实施例，所述补偿增加至一组离散值之中的某个幅值。

按照实施例，该方法还包括：如果时间延迟结束时的信号超过第二电平，则复位信号。

本文所公开的是一种方法，包括：当雪崩光电二极管(APD)没有接收辐射并且存在对APD漏电流的补偿时测量工作在线性模式中的APD的信号；如果信号超过第一电平，则开始时间延迟；测量时间延迟结束时APD的信号；确定时间延迟结束时的信号与时间延迟开始时的信号之间的差；以及基于该差来确定补偿的幅值。

【附图说明】

图1A示意性地示出了线性模式中和盖革(Geiger)模式中的APD的电流-电压特性。

图1B示意性地示出了当APD处于线性模式时作为入射到APD上的光强度的函数和当APD处于盖革模式时作为入射到APD上的光强度的函数的APD中的电流。

图2A、图2B和图2C示意性地示出了按照实施例的APD的操作。

图3A示意性地示出了基于APD阵列的辐射检测器的横截面。

图3B示出了图3A的辐射检测器的变型。

图3C示出了图3A的辐射检测器的变型。

图3D示出了图3A的辐射检测器的变型。

图4A和图4B示意性地示出了包括多个APD的辐射检测器的横截面图。

图5A和图5B示意性地示出了包括多个APD的辐射检测器的横截面图。

图6A和图6B各自示出了按照实施例的辐射检测器的电子系统部件图。

图7A和图7B分别示出了配置成补偿电流形式暗噪声的电路。

图8示意性地示出了按照实施例的辐射检测器电子系统中的电流源出模块(current sourcing module)。

图9和图10示出了电流源出模块的两个示例，其中电流源出模块的电流源包括电流镜(current mirror)。

图11示意性地示出了来自电流源出模块的拉电流、可归因于暗噪声的跨电容器模块电容器的电压以及电流源出模块提供的电流，作为时间函数的跨电容器模块电容器的电压仅可归因于暗噪声。

图12示意性地示出了随时间变化的电容器电压，其中电容器模块包括电流源出模块。

图13示意性地示出了补偿辐射检测器中暗噪声的方法的流程图。

图14A示意性地示出了补偿辐射检测器中暗噪声的方法的流程图。

图14B示意性地示出了补偿辐射检测器中暗噪声的方法的流程图。

图15-图21分别示意性地示出了包括本文所述辐射检测器的系统。

【具体实施方式】

雪崩光电二极管(APD)是基于半导体材料的光电检测器。例如，APD可采取反偏压下的p-n结形式(即，p-n结的p型区被偏压在比n型区低的电位)。p-n结可具有击穿电压。该击穿电压是反偏压，高于该击穿电压时，可发生p-n结中电流的指数增加。

APD可在两种模式之一下操作。在一种模式中，p-n结的反偏压可高于击穿电压。在这里，术语“高于”表示反偏压的绝对值大于击穿电压的绝对值。这种模式可称作盖革模式(Geiger-mode)，工作在这种模式中的APD可称作单光子雪崩二极管(SPAD)(又称作盖革模式APD或G-APD)。在另一种模式中，p-n结的反偏压可低于击穿电压，这种模式可称作线性模式。

当光子(例如可见光、紫外或远紫外(EUV)光)入射到APD时，它可生成载流子(电子和空穴)。一部分载流子可通过APD中的电场加速，并可通过碰撞电离触发电流(例如在SPAD的情况下的雪崩电流)。碰撞电离是发生在材料中的一种过程，其中高能载流子可以通过创造其他载流子而失去能量。例如在半导体中，具有足够动能的电子(或空穴)能够将束缚电子撞出其束缚状态(在价带中)，并且将它推动至导带中的状态，从而创造电子-空穴对。

图1A示意性地示出了线性模式和盖革模式(即，当APD为SPAD时)的APD的电流-电压特性100。APD可在高于击穿电压V_BD具有电流-电压特性100的分叉(即，SPAD)。当反偏压高于V_BD时，电子和空穴均可引起显著电离，并且雪崩是自持的。当雪崩在高于V_BD的反偏压下触发(例如通过入射光子)时，雪崩电流被维持(“通分支”110)；当雪崩没有在高于V_BD的反偏压下触发时，极少电流流过(“断分支”120)。在高于V_BD的反向偏压下，当入射光子触发APD中的雪崩时，APD的电流-电压特性100(如箭头130所示)从断分支120转变成通分支110。该转变表示流经APD的电流从大致上是零急剧增加有限值I_L。该转变与盖革计数器背后的机制相似。因此，在高于V_BD的反偏压下，APD在“盖革模式”中操作。在低于击穿电压的反偏压工作的APD在线性模式中操作，因为APD中的电流与入射到APD上的光强度成比例。

图1B示意性地示出了当APD处于线性模式时作为入射到APD上的光强度的函数112和当APD处于盖革模式时(即，当APD为SPAD时)作为入射到APD上的光强度的函数111的APD中的电流。在盖革模式中，电流随着光强度非常尖锐地增大然后饱和。在线性模式中，电流与光强度基本上成比例。

图2A、图2B和图2C示意性地示出了按照实施例的APD的操作。图2A示出了当光子(例如X射线光子)由吸收区202吸收时，可生成多个电子-空穴对(对于一X射线光子为100个至10000个)。吸收区202具有足够的厚度，从而具有对入射光子的充分吸收率(例如>80％或者>90％)。对于柔X射线光子，吸收区202可以具有厚度为10微米或以上的硅层。吸收区202中的电场没有足够高至引起吸收区202中的雪崩效应。图2B示出了电子和空穴在吸收区202中沿相反的方向漂移。图2C示出了当电子(或空穴)进入放大区204时，雪崩效应在该放大区204中发生，由此生成更多电子和空穴。放大区204中的电场足够高至引起进入放大区204的载流子雪崩，但没有过高以使得雪崩效应是自持的。自持式雪崩是这样一种雪崩，其在外部触发(例如入射到APD上的光子或者漂移到APD中的载流子)消失之后仍持续地存在。放大区204中的电场可以是放大区204中的掺杂分布(doping profile)的结果。例如，放大区204可包括p-n结或者异质结，其在耗尽区中具有电场。雪崩效应的阈值电场(即，高于该电场时发生雪崩效应，而低于该电场时不发生雪崩效应)是放大区204的材料特性。放大区204可处于吸收区202的一侧或相对两侧上。

图3示意性地示出了基于APD 350的阵列的辐射检测器300的横截面。每个APD 350可具有作为图2A、图2B和图2C所示示例的吸收区310和放大区320。辐射检测器300中至少一部分或全部的APD 350可具有结合在一起的吸收区310。即，辐射检测器300可具有采取吸收层311形式的结合吸收区310，其在至少一部分或全部APD 350之间共享。APD 350的放大区320是离散区。即，APD 350的放大区320没有连结在一起。在一实施例中，吸收层311可采取半导体晶片(例如硅晶片)的形式。吸收区310可以是本征半导体或极轻掺杂的半导体(例如<10¹²掺杂剂/cm³、<10¹¹掺杂剂/cm³、<10¹⁰掺杂剂/cm³、<10⁹掺杂剂/cm³)，其具有足够的厚度，并因此对感兴趣的入射光子(例如X射线光子)具有充分的吸收率(例如>80％或者>90％)。放大区320可具有结315，其通过至少两个层312和313所形成。结315可以是p-n结的异质结。在实施例中，层312是p型半导体(例如硅)，层313是重掺杂n型层(例如硅)。术语“重掺杂”不是程度术语。重掺杂半导体的电导率与金属相当，并且呈现大致线性的正热系数。在重掺杂半导体中，掺杂剂能级合并到能带中。重掺杂半导体又称作简并半导体。层312可具有10¹³至10¹⁷掺杂剂/cm³的掺杂级。层313可具有10¹⁸掺杂剂/cm³或以上的掺杂级。层312和313可通过外延生长、掺杂剂注入或掺杂剂扩散来形成。层312和313的带结构和掺杂级能够选择成使得结315的耗尽区电场比层312和313的材料中的电子(或空穴)雪崩效应的阈值电场大，但不会过高以引起自持雪崩。即，结315的耗尽区电场应当在吸收区310中存在入射光子时引起雪崩，但是该雪崩应当在吸收区310中没有其他入射光子的情况下停止。

辐射检测器300还可包括分别与APD 350的层313电接触的电极304。该电极304配置成收集流经APD 350的电流。

辐射检测器300还可包括钝化材料303，该钝化材料配置成使得吸收区310的表面和APD 350的层313钝化，从而减少在这些表面处的重组。

辐射检测器300还可包括：重掺杂层302，该重掺杂层设置在吸收区310上与放大区320相对；以及重掺杂层302上的公共电极301。至少一部分或全部的APD 350的公共电极301可连结在一起。至少一部分或全部的APD 350的重掺杂层302可连结在一起。

当光子(例如可见光、紫、紫外或远紫外(EUV)光)入射到辐射检测器300时，它可被一个APD 350的吸收区310吸收，从而在吸收区310中产生载流子。一种类型(电子或空穴)的载流子朝那个APD的放大区320漂移。当载流子进入放大区320时，雪崩效应发生，造成载流子的放大。放大后的载流子可以作为电流由那个APD的电极304来收集。当那个APD处于线性模式中时，电流与吸收区310中每单位时间内的入射光子数量成比例(即，与那个APD处的光强度成比例)。可将多个APD处的电流加以编制，以表示光的空间强度分布，即图像。备选地，经放大的载流子可由那个APD的电极304来收集，并且光子的数量可从载流子确定(例如，通过利用电流的时间特性)。

APD 350的结315应当是离散的，即，一个APD的结315不应当与另一个APD的结315相连合。APD 350的一个结315所放大的载流子不应当与另一个结315共享。一个APD的结315可通过包绕该结的吸收区材料、通过包绕该结的层312或313的材料、通过包绕该结的绝缘体材料或者通过掺杂半导体的保护环与相邻的APD的结315分隔。如图3A所示，每个APD 350的层312可以是离散的，即，没有与另一个APD的层312相连合；每个APD 350的层313可以是离散的，即，没有与另一个APD的层313相连合。图3B示出了辐射检测器300的变型，其中一部分或全部APD的层312连合在一起。图3C示出了辐射检测器300的变型，其中结315通过保护环316包围。保护环316可以是绝缘体材料或掺杂半导体。例如，当层313是重掺杂n型半导体时，保护环316可以由与层313材料相同的n型半导体制成，但是没有重掺杂。保护环316可出现在图3A或图3B所示的辐射检测器300中。图3D示出了辐射检测器300的变型，其中结315具有介于层312与层313之间的本征半导体层317。每一个APD 350的本征半导体层317可以是离散的，即，没有与另一个APD的另一本征半导体层317相连合。一部分或全部APD 350的本征半导体层317可连合在一起。

图4A和图4B示意性地示出了包括多个APD 511的辐射检测器500的横截面图。APD511可制于衬底510(例如半导体晶片)中。一个或多个通孔512可存在于衬底510中，并且通孔512将APD 511电连接到衬底510的表面。备选地，APD 511可设置在衬底510的表面上，使得APD 511上的电触点暴露于表面。传递和/或控制APD 511的电子系统521可制于另一个衬底520中。电子系统521可包括控制器、偏压源、开关、电流计、存储器、放大器或其他合适的部件。电子系统521的一些部件可制于衬底510中。电子系统521可配置成使用图3所示的方法来使用APD 511。可以有一个或多个通孔522，其将电子系统521电连接到衬底520的表面。备选地，电子系统521可设置在衬底520的表面处，使得电子系统521上的电触点暴露于表面。衬底520可包括传输线530，该传输线配置成向/从电子系统521传送数据、电力和/或信号，并经过该电子系统向/从APD 511传送数据、电力和/或信号。衬底510和520可通过适当的衬底接合技术(例如倒装芯片接合或直接接合)来接合。

如图4A和图4B所示，倒装芯片接合使用沉积到衬底510或衬底520的表面的焊料块599。衬底510或衬底520翻转，并(例如经过通孔512和/或522)与APD 511和电子系统521对准。衬底510和520相接触。焊料块599可熔合，以便将APD 511和电子系统521电连接。焊料块599之间的任何空隙空间可填充有绝缘材料。

直接接合是没有任何附加中间层(例如焊料块)的晶片接合过程。该接合过程基于两个表面之间的化学接合。直接接合可在升高的温度下进行，但不是必须如此。

图5A和图5B示意性地示出了包括多个APD 611的辐射检测器600的横截面图。APD611可制于衬底610(例如半导体晶片)中。一个或多个通孔612可存在于衬底610中，并且通孔612将APD 611电连接到衬底610的表面。备选地，APD 611可设置在衬底610的表面上，使得APD 611上的电触点暴露于表面。衬底610可包括传输线630。传递和/或控制APD 611的电子系统621可制于另一个衬底620中。电子系统621可包括控制器、偏压源、开关、电流计、存储器、放大器或其他合适的部件。电子系统621的一些部件可制于衬底610中。电子系统621可配置成使用图3所示的方法来使用APD 611。可以有一个或多个通孔622和623将电子系统621电连接到衬底620的表面。备选地，电子系统621可设置在衬底620的表面处，使得电子系统621上的电触点暴露于表面。衬底610和620可通过适当的衬底接合技术(例如倒装芯片接合或直接接合)来接合。

如图5A和图5B所示，倒装芯片接合使用沉积到衬底610或衬底620的表面上的焊料块699和698。衬底610或衬底620翻转，并(例如经过通孔612和/或622)与APD 611和电子系统621对准。衬底610和620相接触。焊料块699可熔合，以便电连接APD 611和电子系统621。焊料块698可熔合，以便将电子系统621电连接到传输线630。传输线630配置成向/从电子系统621传送数据、电力和/或信号，并经过该电子系统向/从APD 611来传送数据、电力和/或信号。焊料块699和698之间的任何空隙空间可填充有绝缘材料。

应当注意，按照实施例的辐射检测器(例如辐射检测器300、500和/或600)中的APD可在线性模式工作。由入射到辐射吸收层(例如210或311)上的辐射所生成的信号可采取电流形式。同样，暗噪声也可采取电流(例如DC电流，或者从电触点219B或电极304流出的漏电流)的形式。如果该电流可得以确认，则可对电子系统(例如221、521或621)补偿电流(例如从其转移)。

图6A和图6B各示出了按照实施例的电子系统700的部件图。系统700可以是本文所述电子系统中的任一个，例如221、521或621。该系统包括电容器模块709，其电连接到二极管704的电极或者电触点，其中电容器模块配置成收集来自电极的载流子。二极管704可以是如本文所描述的示例性APD，并且电触点可以是如本文所描述的示例性APD的电触点。电容器模块可以包括电容器，来自电极的载流子在一段时间上(“积分周期”)在电容器上累积。在积分周期已经终止之后，电容器电压被取样，然后通过复位开关来复位。电容器模块能够包括直接连接到电极的电容器。电容器可处于放大器的反馈路径中。这样配置的放大器称作电容互阻抗放大器(CTIA)。CTIA通过阻止放大器饱和而具有高动态范围，并且通过限制信号路径中的带宽来改进信噪比。

如果未经补偿的话，采取电流形式的暗噪声会连同辐射所生成的信号一起对电容器模块709中的电容进行充电。

图7A和图7B分别示出了配置成提供电流以补偿暗噪声的电路。半导体装置中的暗噪声可包括半导体材料中的漏电流，例如APD中的漏电流。电流源出模块788与电容器并联。电流源出模块788可以是可调整的，使得它源出的电流对暗噪声的电流进行补偿。在图7A和图7B所示的电路中，暗噪声的电流经过电流源出模块788转移，使得暗噪声的电流没有对电容器充电。

暗噪声的电流可以是例如在数个皮安(例如1-1000pA)范围内的极小电流。补偿小电流可能是棘手的。图8示意性地示出了按照实施例的电流源出模块788。电流源出模块788可包括电流源901和调制器902。电流源901配置成输出第一电流和第二电流。第一电流和第二电流在幅值和/或方向上不同的。调制器902控制电流源901输出第一电流的时长与电流源901输出第二电流的时长的比率。第一电流和第二电流可以不是与暗噪声的电流同样小，但由电流源出模块788源出的电流的时间平均数却因调制器902的调制而可等于暗噪声的电流。例如，第一电流和第二电流中的至少一者比暗噪声的电流要大至少一个数量级。例如，如果第一电流为1nA并且第二电流为0，以及比率为1:999，则电流源出模块788所源出的电流的时间平均数为1pA。调制器902可与开关同样简单。调制器902可具有复杂电路，例如处理器或存储器。

图9和图10示出了电流源出模块788的两个示例，其中电流源901包括电流反射镜。电流反射镜是一种电路，其接收输入电流，并输出与输入电流成比例的电流。电流反射镜能够被看作是电流控制式电流源(CCCS)。电流反射镜可包括两个级联的电流-电压转换器和电压-电流转换器，其以相同的条件布置并且具有相反的特性。电流反射镜可使用如本文所示的MOSFET晶体管来实现。电流反射镜可使用双极结晶体管来实现。调制器902可位于电流反射镜的输出级，如图9所示。例如，调制器902可包括开关，其将电流源出模块788与电容器模块709中的电容器可控地连接和断开。调制器902可位于电流反射镜的输入级，如图10所示。调制器902可包括输出交替幅值电流的电流源。调制器902可包括以可调整的时长比率输出两种幅值电流的电流源。

图11示意性地示出了随时间的变化由电流源出模块788源出的电流1201。虚线1202示出了电流1201的时间平均数。图11还示意性地示出了随时间的变化可归因于暗噪声以及由电流源出模块788提供的电流的电容器模块709的电容器电压1203。图11还示意性地示出了随时间的变化仅归因于暗噪声的跨电容器模块709的电容器的电压120。从图11能够观察到，电流源出模块788提供的基于时间平均数的电流消除了暗噪声对于电容器电压的影响。

图12示意性地示出了随时间变化的电容器电压，其中电容器模块709包括电流源出模块788。在图12中能够看到叠加在平滑变化的电压上的细锯齿波形。锯齿波形可归因于随时间变化的暗噪声以及电流源出模块788提供的电流。

图13示意性地示出了补偿辐射检测器中暗噪声的方法的流程图。在过程2010，确定辐射检测器信号中暗噪声的贡献值2020。例如，该贡献值可通过在辐射检测器没有接收辐射时测量信号来确定。在过程2030，第一补偿信号2050的时长与第二补偿信号2060的时长的比率2040基于暗噪声的贡献值2020、第一补偿信号2050和第二补偿信号2060来确定。例如，第一补偿信号2050和第二补偿信号2060可以是电流源901输出的第一电流和第二电流。在过程2070，采用具有比率2040的相应时长的第一补偿信号2050和第二补偿信号2060来补偿辐射检测器信号的暗噪声。

图14A示意性地示出了补偿辐射检测器中暗噪声的方法的流程图。在过程2110，当辐射检测器没有接收辐射且存在对辐射检测器暗噪声的补偿时，测量辐射检测器的信号。在过程2120，如果信号尚未超过第一电平，则流程回到过程2110；如果信号已经超过第一电平，则在过程2130开始时间延迟。在过程2140，测量时间延迟结束时的辐射检测器信号。在过程2150，如果信号没有超过第二电平，则流程结束，并且补偿的电流幅值被认为足以补偿暗噪声的贡献值；如果时间延迟结束时的信号超过第二电平，则在过程2160增加对暗噪声的补偿；在过程2170中，信号复位，并且流程回到过程2110。备选地，在过程2150，如果信号没有超过第二电平，则在过程2180中降低第二电平，并且该流程回到过程2110；如果时间延迟结束时的信号超过第二电平，则在过程2160增加对暗噪声的补偿；在过程2170中信号复位，并且流程回到过程2110。当对暗噪声的补偿增加时，它可增加至一组离散值中的某个幅值。补偿的电流幅值可存储在辐射检测器的存储器中。

图14B示意性地示出了补偿辐射检测器中暗噪声的方法流程图。在过程2210，当辐射检测器没有接收辐射且存在对辐射检测器暗噪声的补偿时，测量辐射检测器的信号。在过程2220，如果信号尚未超过第一电平，则流程回到过程2210；如果信号已经超过第一电平，则在过程2230开始时间延迟。在过程2240，测量时间延迟结束时的辐射检测器的信号。在过程2250，确定时间延迟开始时信号(其可以简单地为第一电平)和时间延迟结束时信号之间的差。在过程2260，对暗噪声补偿的幅值基于该差来确定。

除了电容器模块709(其包括电流源出模块788)之外，电子系统700还可包括第一电压比较器701、第二电压比较器702、计数器720、开关705、电压计706和控制器710，如图6A和图6B所示。

第一电压比较器701配置成将二极管704的电极电压与第一阈值比较。二极管可以是如本文所述的APD。备选地，第一电压比较器701配置成将电触点(例如电触点219B的离散部分)的电压与第一阈值比较。第一电压比较器701可配置成直接监测电压，或者通过对某个时间周期流经二极管或电触点的电流求积分来计算电压。第一电压比较器701可由控制器710可控地启动或停用。第一电压比较器701可以是连续比较器。即，第一电压比较器701可配置成连续被启动，并连续监测电压。配置为连续比较器的第一电压比较器701降低了系统700错失由入射光子生成的信号的机会。当入射辐射强度较高时，配置为连续比较器的第一电压比较器701是特别适合的。第一电压比较器701可以是定时比较器，其具有更低功率消耗的有益效果。配置为定时比较器的第一电压比较器701可能使系统700错失由入射光子生成的信号。当入射辐射强度较低时，缺失入射光子的机会较低，因为两个连续光子之间的时间间隔较长。因此，当入射辐射强度较低时，配置为定时比较器的第一电压比较器701是特别适合的。第一阈值可以是一个入射光子可在APD中生成的最大电压的5-10％、10％-20％、20-30％、30-40％或40-50％。最大电压可取决于入射光子的能量(即，入射辐射的波长)、辐射吸收层的材料和其他因素。例如，第一阈值可以是50mV、100mV、150mV或200mV。

第二电压比较器702配置成将电压与第二阈值比较。第二电压比较器702可配置成直接监测电压，或者通过对某个时间周期流经二极管或电触点的电流求积分来计算电压。第二电压比较器702可以是连续比较器。第二电压比较器702可由控制器710可控地启动或停用。当停用第二电压比较器702时，第二电压比较器702的功率消耗可小于启动第二电压比较器702时的功率消耗的1％、5％、10％或20％。第二阈值的绝对值大于第一阈值的绝对值。如本文所使用的术语实数x的“绝对值”或“模量”|x|是x的非负值，而不考虑其符号。即，第二阈值可以是第一阈值的200％-300％。第二阈值可以是一个入射X射线光子可在二极管或电阻器中生成的最大电压的至少50％。例如，第二阈值可以是100mV、150mV、200mV、250mV或300mV。第二电压比较器702和第一电压比较器701可以是同一部件。即，系统700可具有一个电压比较器，其能够在不同时间将电压与两个不同的阈值比较。

第一电压比较器701或者第二电压比较器702可包括一个或多个运算放大器或者任何其他合适的电路。第一电压比较器701或第二电压比较器702可具有高速度，以允许系统700在入射X射线的高通量下操作。但是，具有高速度常常以功率消耗为代价。

计数器720配置成记录到达二极管或电阻器的X射线光子数量。计数器720可以是软件部件(例如计算机存储器中存储的数值)或硬件组件(例如4017IC和7490IC)。

控制器710可以是硬件部件，例如微控制器或者微处理器。控制器710配置成从第一电压比较器701确定电压的绝对值等于或超过第一阈值的绝对值(例如，电压的绝对值从低于第一阈值的绝对值增加到等于或高于第一阈值的绝对值)的时刻起开始时间延迟。在这里使用了绝对值，因为电压可以为负或正，这取决于是二极管的阴极还是阳极的电压或者使用哪一个电触点。控制器710可配置成在第一电压比较器701确定电压的绝对值等于或超过第一阈值绝对值的时间之前保持停用第二电压比较器702、计数器720、以及第一电压比较器701的操作无需的任何其他电路。时间延迟可在电压变稳定、即电压的变化率基本上为零之前或之后到期。词语“电压的变化率基本上为零”表示电压的时间变化小于0.1％/ns。词语“电压的变化率基本上为非零”表示电压的时间变化至少为0.1％/ns。

控制器710可配置成在该时间延迟期间(包括开始和到期)启动第二电压比较器。在实施例中，控制器710配置成在时间延迟开始时启动第二电压比较器。术语“启动”表示使部件进入操作状态(例如通过发送诸如电压脉冲或逻辑电平之类的信号、通过提供电力等)。术语“停用”表示使部件进入非操作状态(例如通过发送诸如电压脉冲或逻辑电平之类的信号、通过切断电力等)。操作状态可具有比非操作状态要高的功率消耗(例如高10倍、高100倍、高1000倍)。控制器710本身可停用，直到第一电压比较器701的输出在电压的绝对值等于或超过第一阈值的绝对值时启动控制器710。

控制器710可配置成在时间延迟期间、第二电压比较器702确定电压的绝对值等于或超过第二阈值的绝对值时，使计数器720所记录的数值增加一。

控制器710可配置成在时间延迟到期时使电压计706测量电压。控制器710可配置成将电极连接到电接地，以便使电压复位，并且释放电极上累积的任何载流子。在实施例中，电极在时间延迟到期之后连接到电接地。在实施例中，电极在有限复位时间周期连接到电接地。控制器710可通过控制开关705将电极连接到电接地。开关可以是晶体管，例如场效应晶体管(FET)。

在一实施例中，系统700没有模拟滤波器网络(例如RC网络)。在一实施例中，系统700没有模拟电路。

伏特计706可将所测量的电压作为模拟或数字信号来馈送给控制器710。

控制器710可配置成控制电流源出模块388。例如，控制器710可通过控制电流源出模块788来改变对暗噪声补偿的幅值。控制器710可在图13的流程中调整第一补偿信号2050和第二补偿信号2060的时长的比率2040。控制器710可运行易失性存储器、非易失性存储器、RAM、闪速记忆体、ROM、EPROM或者任何其他形式的非暂时计算机可读存储介质中的指令，并且由此实现图13、图14A和图14B的流程。

图15示意性地示出了包括辐射检测器1600的系统。辐射检测器1600可以是本文所述辐射检测器之一的一个示范性实施例。该系统可用于医疗成像，例如胸腔X射线照相、腹部X射线照相等。该系统包括脉冲辐射源2001，其发射X射线。从脉冲辐射源2001所发射的X射线穿透对象2002(例如，人体部位，例如胸腔、肢体、腹部)，通过对象2002的内部结构(例如骨骼、肌肉、脂肪和器官等)不同程度地衰减，并且投射到辐射检测器1600。辐射检测器1600通过检测X射线的强度分布来形成图像。

图16示意性地示出了包括本文所述辐射检测器1600的系统。该系统可用于医疗成像，例如牙科X射线照相。该系统包括脉冲辐射源1301，其发射X射线。从脉冲辐射源1301所发射的X射线穿透对象1302，其是哺乳动物(例如人类)口腔的部分。对象1302可包括上颌骨、腭骨、牙齿、下颌骨或舌头。X射线通过对象1302的不同结构不同程度地衰减，并且投射到辐射检测器1600。辐射检测器1600通过检测X射线的强度分布来形成图像。牙齿比蛀牙、感染、牙周膜要更多地吸收X射线。由牙科患者所接收的X射线辐射的剂量通常较小(对全口系列为大约0.150mSv)。

图17示意性地示出了包括本文所述辐射检测器1600的货物扫描或者非侵入式检查(NII)系统。该系统可用于检查和识别运输系统(例如集装箱、车辆、船舶、行李等)中的商品。该系统包括脉冲辐射源1401。从脉冲辐射源1401所发射的辐射可从对象1402(例如集装箱、车辆、船舶等)后向散射，并且投射到辐射检测器1600。对象1402的不同内部结构可不同地后向散射辐射。辐射检测器1600通过检测后向散射辐射的强度分布和/或后向散射辐射的能量来形成图像。

图18示意性地示出了包括本文所述辐射检测器1600的另一个货物扫描或者非侵入式检查(NII)系统。该系统可用于公共交通车站和机场的行李检查。该系统包括脉冲辐射源1501，其发射X射线。从脉冲辐射源1501所发射的X射线可穿透一件行李1502，通过行李的内容以不同方式衰减，并且投射到辐射检测器1600。辐射检测器1600通过检测所透射X射线的强度分布来形成图像。该系统可展现行李的内容，并且识别对公共交通上的违禁品(例如火器、麻醉剂、锐器、易燃品)。

图19示意性地示出了包括本文所述辐射检测器1600的全身扫描器系统。全身扫描器系统可为了安检而检测人体上的对象，而无需从身上脱下服装或进行身体接触。该全身扫描器系统可以能够检测非金属对象。该全身扫描器系统包括脉冲辐射源1601。从脉冲辐射源1601所发射的辐射可从被检查人体1602和其上的对象后向散射，并且投射到辐射检测器1600。对象和人体可不同地后向散射辐射。辐射检测器1600通过检测后向散射辐射的强度分布来形成图像。辐射检测器1600和脉冲辐射源1601可配置成沿线性或旋转方向来扫描人体。

图20示意性地示出了X射线计算机断层扫描(x射线CT)系统。X射线CT系统使用计算机处理X射线来产生被扫描对象的特定区域的断层扫描图像(虚拟“层面”)。断层扫描图像可用于各种医学学科中的诊断和治疗目的或者用于瑕疵检测、故障分析、度量衡、组合件分析和逆向工程。X射线CT系统包括本文所述的辐射检测器1600以及发射X射线的脉冲辐射源1701。辐射检测器1600和脉冲辐射源1701可配置成沿一个或多个圆形或螺旋路径同步地旋转。

图21示意性地示出了电子显微镜。电子显微镜包括电子源1801(又称作电子枪)，其配置成发射电子。电子源1801可具有各种发射机构，例如热离子、光电阴极、冷发射或等离子体源。所发射电子经过电子光系统1803，其可配置成对电子进行成形、加速或聚焦。然后，电子到达样本1802，从其图像检测器可形成图像。电子显微镜可包括本文所述的辐射检测器1600，以用于执行能量扩散X射线光谱(EDS)。EDS是用于样本的元素分析或化学表征的分析技术。当电子入射到样本时，它们引起特性X射线从样本的发射。入射电子可激发样本原子内核层中的电子，将其从壳层中逐出，同时在创建电子曾在处的电子空穴。然后，来自更高能量外壳层的电子填充空穴，更高能量壳层与更低能量壳层之间的能量的差可采取X射线形式来释放。从样本所发射的X射线的数量和能量能够由辐射检测器1600来测量。

这里所述的辐射检测器1600可得到其他应用，例如在X射线望远镜、X射线乳房X射线照相、工业X射线缺陷检测、X射线显微镜或显微射线照相、x射线铸件检查、X射线无损测试、X射线焊接检查、X射线数字减影血管造影等。可适合使用这个辐射检测器1600代替照相底板、胶片、PSP板、X射线图像增强器、闪烁器或者X射线检测器。

虽然本文公开了各个方面和实施例，但是其他方面和实施例将是本领域的技术人员清楚知道的。本文所公开的各个方面和实施例是为了便于说明而不是要进行限制，其中真实范围和精神通过以下权利要求书来示明。

Claims

1.一种辐射检测器，包括：

雪崩光电二极管，该雪崩光电二极管具有联接至电极的第一侧，并且该雪崩光电二极管配置成在线性模式中工作；

电容器模块，该电容器模块电连接到所述电极，并且该电容器模块包括电容器，其中，所述电容器模块配置成将来自所述电极的载流子收集到所述电容器上；

与所述电容器并联的电流源出模块，所述电流源出模块配置成补偿所述雪崩光电二极管中的漏电流，并且所述电流源出模块包括电流源和调制器；

其中，所述电流源配置成输出第一电流和第二电流；并且

其中，所述调制器配置成控制所述电流源输出所述第一电流的时长与所述电流源输出所述第二电流的时长的比率。

2.根据权利要求1所述的辐射检测器，其中，所述电流源出模块是可调整的。

3.根据权利要求1所述的辐射检测器，其中，所述电流源出模块配置成将所述雪崩光电二极管中的漏电流经所述电流源出模块转移。

4.根据权利要求1所述的辐射检测器，其中，所述第一电流和所述第二电流在幅值和/或方向上是不同的。

5.根据权利要求1所述的辐射检测器，其中，所述第一电流和所述第二电流中的至少一者比所述雪崩光电二极管的漏电流要大至少一个数量级。

6.根据权利要求1所述的辐射检测器，其中，所述雪崩光电二极管中的漏电流为1pA至1000pA。

7.根据权利要求1所述的辐射检测器，其中，所述调制器包括处理器或存储器。

8.根据权利要求1所述的辐射检测器，其中，所述调制器包括开关。

9.根据权利要求1所述的辐射检测器，其中，所述辐射包括软X射线、紫外光或者远紫外光。

10.根据权利要求1所述的辐射检测器，其中，所述电流源包括电流反射镜。

11.根据权利要求10所述的辐射检测器，其中，所述调制器位于所述电流反射镜的输入级。

12.根据权利要求11所述的辐射检测器，其中，所述调制器包括电流源，所述调制器的电流源配置成输出交替幅值的电流。

13.根据权利要求11所述的辐射检测器，其中，所述调制器包括电流源，所述调制器的电流源配置成以可调整的时长比率输出两个幅值的电流。

14.根据权利要求10所述的辐射检测器，其中，所述调制器位于所述电流反射镜的输出级。

15.根据权利要求14所述的辐射检测器，其中，所述调制器包括开关，该开关配置成将所述电流源出模块可控地连接至所述电容器以及将所述电流源出模块从所述电容器可控地断开连接。

16.根据权利要求1所述的辐射检测器，还包括：

第一电压比较器，该第一电压比较器配置成将所述电极的电压与第一阈值比较；

第二电压比较器，该第二电压比较器配置成将所述电压与第二阈值比较；

计数器，该计数器配置成记录所述雪崩光电二极管吸收的光子数量；

控制器；

其中，所述控制器配置成在所述电压比较器确定所述电压的绝对值等于或超过所述第一阈值的绝对值时开始时间延迟；

所述控制器配置成在所述时间延迟期间启动所述第二电压比较器；并且

所述控制器配置成在所述第二电压比较器确定所述电压的绝对值等于或超过所述第二阈值的绝对值时，使所述计数器所记录的光子数量增加一。

17.根据权利要求16所述的辐射检测器，其中，所述控制器配置成在所述时间延迟开始或终止时启动所述第二电压比较器。

18.根据权利要求16所述的辐射检测器，还包括电压计，其中所述控制器配置成在所述时间延迟终止时使所述电压计测量所述电压。

19.根据权利要求18所述的辐射检测器，其中，所述控制器配置成基于在所述时间延迟终止时测量的电压值来确定光子能量。

20.根据权利要求16所述的辐射检测器，其中，所述控制器配置成将所述电极连接到电接地。

21.根据权利要求16所述的辐射检测器，其中，所述电压的变化率在所述时间延迟终止时基本上为零。

22.根据权利要求16所述的辐射检测器，其中，所述电压的变化率在所述时间延迟终止时基本上为非零。

23.根据权利要求1所述的辐射检测器，其中，所述辐射检测器包括所述雪崩光电二极管的阵列。

24.一种包括根据权利要求1-23中任一项所述的辐射检测器以及X射线源的系统，其中，所述系统配置成对人体胸腔或腹部执行X射线照相。

25.一种包括根据权利要求1-23中任一项所述的辐射检测器以及X射线源的系统，其中，所述系统配置成对人体口腔执行X射线照相。

26.一种货物扫描或者非侵入式检查系统，包括根据权利要求1-23中任一项所述的辐射检测器以及X射线源，其中所述货物扫描或者非侵入式检查系统配置成使用后向散射X射线来形成图像。

27.一种货物扫描或者非侵入式检查系统，包括根据权利要求1-23中任一项所述的辐射检测器以及X射线源，其中所述货物扫描或者非侵入式检查系统配置成使用经过被检查对象所透射的X射线来形成图像。

28.一种包括根据权利要求1-23中的任一所述的辐射检测器以及辐射源的全身扫描器系统。

29.一种包括根据权利要求1-23中的任一所述的辐射检测器以及辐射源的计算机断层扫描系统。

30.一种包括根据权利要求1-23中的任一所述的辐射检测器以及电子源和电子光学系统的电子显微镜。

31.一种包括根据权利要求1-23中的任一所述的辐射检测器的系统，其中所述系统是X射线望远镜或X射线显微镜，或者其中所述系统配置成执行乳房X射线照相、工业缺陷检测、显微射线照相、铸件检查、焊接检查或数字减影血管造影。

32.一种用于在根据权利要求1-23中任何一项所述的辐射检测器中补偿漏电流的方法，包括：

确定工作在线性模式中的雪崩光电二极管的信号中的漏电流的贡献值；

基于所述漏电流的贡献值、第一补偿信号和第二补偿信号来确定所述第一补偿信号的时长与所述第二补偿信号的时长的比率；以及

采用具有所述比率的相应时长的所述第一补偿信号和所述第二补偿信号来补偿所述雪崩光电二极管的信号中的漏电流。

33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述贡献值通过在所述雪崩光电二极管没有接收辐射的同时测量所述信号来确定。

34.根据权利要求32所述的方法，其中，所述第一补偿信号和所述第二补偿信号是电流。

35.一种用于在根据权利要求1-23中任何一项所述的辐射检测器中补偿漏电流的方法，包括：

当雪崩光电二极管没有接收辐射并且存在对所述雪崩光电二极管的漏电流的补偿时，测量工作在线性模式中的所述雪崩光电二极管的信号；

如果所述信号已经超过第一电平，则开始时间延迟；

测量所述时间延迟结束时的所述雪崩光电二极管的信号；以及

如果在所述时间延迟结束时所述信号超过第二电平，则增加对所述漏电流的补偿。

36.根据权利要求35所述的方法，其中，所述补偿增加到一组离散值之中的某个幅值。

37.根据权利要求35所述的方法，还包括：

如果所述时间延迟结束时所述信号超过所述第二电平，则复位所述信号。

38.一种用于在根据权利要求1-23中任何一项所述的辐射检测器中补偿漏电流的方法，包括：

如果所述信号已经超过第一电平，则开始时间延迟；

测量所述时间延迟结束时所述雪崩光电二极管的信号；

确定所述时间延迟结束时的所述信号与所述时间延迟开始时的所述信号之间的差；以及

基于所述差来确定所述补偿的幅值。