CN1113322A - 具有直接转换功能的x射线探测器元件 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种新型的X射线探测器元件用 于计算机X射线断层照相术，该元件是一个由化合 物半导体制成的半绝缘半导体器件，接上恒定电压源 和测量装置可作为对X射线灵敏的光敏电阻使用。

Description

计算机断层照相术对其所使用的X射线探测器元件提出许多要求。这种元件应以高的灵敏度和强的抗干扰能力把X射线转换成电信号。其应具有大动态范围的接收灵敏度，而且电信号幅度与X射线强度之间应具有尽可能好的线性度。其时间响应特性应很快，而且测试信号应在大约1毫秒以后基本衰减掉。此外，要求探测器元件有高的长期稳定性。

到目前为止，计算机断层照相术所使用的X射线探测器都是利用不同的物理原理探测X射线。充气电离室是利用X射线对气体的电离特性。在电离气体中所产生的电荷可以直接测量。

按闪烁器原理工作的探测器利用某些晶体发光材料的发光特性，把X射线转换成可见光，使眼睛、光敏胶卷或者光探测器可以接受到。

将X射线直接转换或电信号，例如用单晶锗半导体材料制成的pn-二极管。事实上，早已提出了利用光伏效应直接检测X射线。

按电离室原理工作的X射线位置分辨探测器制造方法很昂贵，而且把X射线转换成电脉冲的效率很低。从而就使被检查身体的病人承受高剂量的射线。

就原理而言发光材料是很适用的，然而却需要花费昂贵的代价制成一定的结构。其它难题则是在连接闪烁器与所需的光电探测器时易出故障，此外还必须考虑在转换时电信号的损耗。

锗半导体二极管要求使用液氮制冷，因为锗禁带宽度较小导致高的热噪声。这种制冷装置特别是对于计算机X射线断层照相术不仅价格昂贵且使用不便，因为由分立的X射线探测器组成的阵列必须围绕透视人体转动。

为此，本发明提出了一种X射线探测器，它能以高效率把X射线转换成电信号、使位置分辨成为可能、容易制造、且能排除已知X射线探测器的上述缺点。

根据本发明，用权利要求书1提出的X射线探测器元件解决了上述任务。在其它权利要求中提出了本发明的其它结构形式以及探测器元件的工作方法和优先的应用方式。

某些化合物半导体与锗相比具有较有利的核电荷比，从而对X射线有较强的吸收。它们可以制成优质和高纯度的单晶材料。特别是在单晶半导体材料中由于吸收X射线产生的载流子具有最长的寿命和最高的迁移率。因此可以保证在所加的电场中绝大多数载流子在复合之前被分开并且在电极两端作为可测电流读出。对于所建议的半导体材料，X射线的吸收和直接高效率地转换成电信号能给出大于10³高信噪比。这些化合物半导体与锗相比有较大的禁带宽度，还可使本发明的探测器元件在室温下工作。

半导体材料内部是高纯的并且最好是补偿掺杂的，然而在电极下都有浅的高掺杂层，此高掺杂层保证了半导体和电极之间良好的欧姆接触，从而保证在整个半导体材料内有一均匀的、恒定的电场。因此与电场区有限的肖特基-接触或者pn结相比有可能获得较高的载流子漂移-收集效率，因为前两种结构有无电场区，在这些区域内只有低速的载流子扩散输运。此外，在这种半导体材料中以光伏原理工作时短的少子寿命是起关健作用的。

电阻率典型值p＝10⁷～10⁹Ohm cm的半绝缘半导体以光敏电阻形式应用之所以特别有利是因为它们几乎不含有可带电杂质，从而没有载流子使内部电场发生变化或者导致持续的电荷补偿效应。

本发明的探测器元件的另一重要特点是使用恒定电压源。这种电压源之所以特别重要是因为被测信号与光敏电阻的电极之间所加电压有关。电压的变化有可能导致测试信号的变化，从而使噪声增大，也就是说可使独立应用的信/噪比变坏。

作为恒定电压源，例如具有足够电流容量的电池或者蓄电池是适用的。在光敏电阻的电极之间所加电压，例如可以在8-30V范围内，但是在任何情况下必须低于击穿电压。为了防止探测器元件短路，光敏电阻应串联一个保护电阻。此保护电阻的大小最好与光敏电阻的暗电阻具有相同数量级。测量仪器与光敏电阻并联，而且为了隔离暗电流，测量仪器与此电阻是电容耦合的。为了在光电流起伏时电势保持恒定，再与电压源并联一个电容。

下面借助实施实例和相关的两个附图进一步阐述本发明。在此示出

图1：是本发明X射线探测器元件横截面示意图。

图2：是一种可用于探测器元件工作的电路。

实施实例：

作为优先选择的半导体材料，选定了砷化镓GaAs。这种材料从其元素序数看，对于X射线的吸收与锗是可比拟的。然而，其禁带宽度是1.43ev，因此与锗相比对于探测器来说更适合于室温下工作。就可提供的晶体质量而言，在同类的化合物半导体中镓砷是首选材料。

作为一种实验结构，选择0.6mm厚的镓砷样片，其电阻率为2.2×10⁷Ohm cm。

图1：第一步在作为半导体材料1使用的镓砷样片两侧制成作电极用的欧姆接触层7。为此，首先在样片的两个表面制造浅的高掺杂区2。例如，用扩散或者注入方法制造一个大约200nm深的n⁺掺杂区。此掺杂区用于较理想的载流子收集并且较容易与下一层制成欧姆接触。此高掺杂区为真正的金属电极层设置了一个扩散阻挡层3。例如，为此在高掺杂区2上淀积13nm厚的锗。随后淀积第一个金属接触层4，例如27nm厚的金。再在其上淀积另一个扩散阻挡层5，例如10nm厚的镍层，最后是真正的电极层，例如此电极层是由300nm的金盖层组成的。

用于淀积欧姆接触层7可采用常用的薄层制造方法，例如蒸发、溅射以及电镀或无电流金属淀积法。这里为欧姆接触层7所选用的薄层组合对用镓砷制造的微波电子器件的欧姆接触已是众所周知的。当然，也可以使用其它电极材料。但是先决条件是这些材料与半导体构成良好且长期稳定的欧姆接触，而且在长期工作时，也绝无任何扩散对半导体特性产生不利影响。

现由上述方法制成欧姆接触的样片，选择约1.5cm²的样品作为光敏电阻8切割下来。光敏电阻8首先连接电极引线，最后与图2所示测量电路连接在一起。为此，光敏电阻8与一个作为恒定电压源9的18V电池和一个保护电阻10（1MΩ）串联。与电压源9先并联一个电解电容11（4μF）然后再并联另一电容12（100nF）。测量仪器14与光敏电阻8并联，并且经第三个电容13（1μF）与回路耦合。

这个电路与电压源和光敏电阻一起装在一个机壳内，例如此机壳用0.5mm厚的铝片制成，并且用于屏蔽光敏电阻8防止外界电干扰和光的进入。

测量仪器14是一个至少具有10μV/cm输入灵敏度和1MΩ输入阻抗的示波器。

现用斩波X射线从电阻探测器的正面并平行于电极7照射此装置。

在给出的装置中，样品的暗电阻大约为1MΩ。相应的，当样品的电场强度约10²V/cm时给出暗电流约10μA。产生的X射线脉冲在一个45毫秒的重复周期中持续时间为2毫秒。X射线管与光敏电阻相距25cm并且在中间加入8mm厚的铝片用于滤波。X射线发生器的功率在20KV和55KV之间变化，以便模拟被透视人体的不同吸收。在示波器上测得之试验信号在2V和0.1mV之间。这相当于2×10⁴的动态范围。

在示波器14上观察到的测试信号波形接近矩形。由此可以推论光敏电阻的响应很好而且当X射线中断时光电流很快衰减。X射线源动率55KV时测定出由信号电流/暗电流的商组成的信噪比为7×10³。

用如上所述制造镓砷光敏电阻相似的方法在另一些化合物半导体样品上制成欧姆接触，并作为光敏电阻8在相似的测量装置中用脉冲X射线进行照射。对应于光敏电阻8所选半导体材料参数的改变测量电路中的参数也做相应改变。下表给出了由这些样品得到的测试结果。

事实表明，用其它半导体材料按本发明制成的光敏电阻探测器元件在探测X射线时都有大于10³的高信噪比。其它曾提到的，但在表中未列出的二元和三元化合物半导体材料有相似的特性。

由于有高的信噪比，这是高灵敏度的一个标志，本发明的探测器元件特别适用于人体的X射线检查。因为探测器元件把吸收的X射线直接转换成电信号，所以不仅测量的转换效率（7%）而且其理论值都比已知X射线探测器高出20%。例如，闪烁探测器的转换效率只测到4%。与装有Si-二极管的闪烁器相比，信噪比也得到了改善。

如果探测器元件用于医学X射线检查，例如用计算机X射线断层照相仪上，就X射线的尽可能全吸收和所希望的分辨率而言，需要优化探测器元件的几何尺寸。入射X射线的能量决定吸收长度，也就是说在此长度内射线完全被吸收，例如对镓砷吸收长度是2mm，而对碲化镉则约1mm。于是，适用的探测器元件应制造在一种半导体材料上，在其上沿入射X射线平行方向所测得的入射线“深度”稍大于上述吸收长度。片状半导体样品的厚度按照所要求的分辩率进行选择。已知的计算机X射线断层照相仪的分辨率网栅大约1mm，本发明的探测器元件也是以此分辨率为目标的。

在计算机X射线断层照相仪中各个探测器被平行排列成行或排成阵列。为了防止单个X射线量子穿过多个探测器元件，有必要把各个探测元件进行隔离防止射线穿透。为此可在各个探测器之间放入高吸收隔离材料。例如，用重金属制成的隔离片是很适用的。在此，需努力优化可用有源探测器面积与无源探测器面积之比，因为除绝对网栅大小外此比值对探测器元件的灵敏度是起重要作用的。

利用本发明探测器元件作X射线检查，例如可以用连续工作方式进行。用已给出的测量电路及已给出的测量条件可以测量入射X射线的变化。然而更好是以脉冲工作方式进行X射线检查，用此种方式可以通过补偿测定入射射线的强度的绝对值，这是为了画出数字X射线图像所必需的。

除用直流电源（例如，蓄电池）进行工作外，原则上用交流电源也是可行的，但只要测量是相位同步进行，或者在光敏电阻上所加的电压通过触发以正确的相位同步。

Claims (11)

1、探测X射线的元件其特征在于具有

-片状的晶态半绝缘半导体样品(1)用作光敏电阻(8)，此半导体样品选自GaAs，CdTe，CdSe，HgTe，CuInxGal-xSeZ-ZySZy(1≥X，Y≥0)

-在半导体样品(1)的相互对应的两个表面上有一对电极(7)，紧靠电极的下方各有一层薄的高掺杂区(2)

-一个与电极(7)相连接的恒定电压源(9)用于在电极上施加恒定电压

-一个测量装置用于探测流过光敏电阻(8)的光电流。

2、根据权利要求1所述元件，其特征在于，

在此元件中，测量装置包括一个与光敏电阻（8）电容耦合的高阻测量仪器（14），而且光敏电阻串联一个保护电阻（10），其大小与光敏电阻的暗电阻约同一数量级。

3、根据权利要求1或2所述元件其特征在于，

在此元件中，电容（11，12）与恒定电压源（9）并联。

4、根据权利要求1至3之一所述元件其特征在于，

在此元件中，半绝缘半导体样品（1）有大于10⁷Ωcm的电阻率。

5、根据权利要求1至4之一所述元件其特征在于，

此元件在室温下具有大于10³的信噪比。

6、根据权利要求1至5之一所述元件其特征在于，

在此元件中，半导体材料（1）是由未掺杂的单晶GaAs制成的。

7、根据权利要求6所述元件其特征在于，

在此元件中，在半导体样品（1）上的电极（7）包含一个由n⁺GaAs/Ge/Au/Ni/Au（2，3，4，5，6）组成的薄层序列。

8、根据权利要求1所述X射线探测器元件工作的方法其特征在于，

在此方法中，调整半导体样品（1）使其电极（7）与入射X射线平行，在电极上施加约8至30V的恒定电压，而且在半导体样品上产生的光电流由一个与光敏电阻（8）并联并经电容耦合的测量仪器（14）测定。

9、根据权利要求8所述方法其特征在于，

在此方法中，使用了斩波X射线。

10、根据权利要求8或9所述方法，其特征在于，

在此方法中，光敏电阻（8）在室温下工作。

11、探测器元件应用在计算机X射线断层照相仪的探测器阵列中。

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