CN1203669A - 具有增强的电荷搜集功能的半导体辐射探测器 - Google Patents

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Abstract

一种探测电离辐射的辐射探测器。探测器包括具有至少两个侧面的半导体(502)。偏置电极(504)制作在半导体(502)的一个侧面上。信号电极(506)制作在半导体(502)的一个侧面上,用于探测电离辐射的能量值。第三电极(508)(控制电极)也制作在半导体(502)上。电荷云靠近信号电极(506)时,控制电极(508)和信号电极(506)共享由电离辐射产生的电荷。控制电极(508)还调节半导体(502)的内部电场(518),这样,当电荷云接近信号电极(506)时,电场将电荷云导向信号电极(506)。结果,减小了传递辐射信号的电荷(即电子或空穴)的俘获效应,有效地消除了低能拖尾效应。

Description

具有增强的电荷搜集功能的半导 体辐射探测器
本发明涉及一种探测电离辐射的器件和方法，更具体地讲是涉及用于降低低能拖尾效应的、具有增强的电荷搜集功能的半导体辐射探测器。
高阻半导体辐射探测器由于其室温工作能力、较小的尺寸和长寿命、以及半导体器件固有的其它特性，被广泛地用于探测电离辐射。该探测器的应用范围十分广泛，包括医疗诊断成像、核废料监测、工业过程监测和太空天文学。电离辐射包括粒子辐射，例如α或β粒子，和电磁辐射，例如γ或x射线。
普通的半导体辐射探测器一般称为“平面型”探测器。如图1A所示，这种平面型探测器100的结构通常由一块半导体晶体102构成，其中金属覆盖在板的两个相对表面上，构成两个电极，阴极104和阳极106。在一种结构中，阳极106与外部信号控制电路108和地110相连，阴极104与外部电压源111相连。电极104和106上的偏置电压产生内部电场。由半导体晶体板102吸收的电离辐射112在半导体晶体102内部产生的电子云和空穴云分别流向阳极106和阴极104。这些移动的电子云和空穴云在外部电路111中产生电荷-脉冲信号。
如果电离辐射112产生的电子和空穴全部到达它们各自的电极(即，电子到达阳极106，空穴到达阴极104)，那么输出的电荷信号将精确地等价于由分布在晶体102内部的能量而来的电荷。因为分布电荷正比于电离辐射112的能量，所以半导体辐射探测器100提供了一种测量电离辐射112的能量的装置。对该能量的测量能力是辐射探测器的一项重要功能。
然而，平面型辐射探测器具有严重的缺陷：由于半导体晶体102体材料的输运特性的限制，在流向它们各自电极的过程中，部分电子和空穴会因为俘获效应而损失掉。因此，输出电荷信号的幅度取决于在晶体中发生电离辐射吸收的位置。通常，幅度小于电离辐射产生的电荷，这导致能量测量精度下降，以及分辨率较低和峰值效率下降。辐射探测器中的这种损失(或俘获)导致称为“低能拖尾(Low-energytrailing)”的非对称谱峰形状。
如上所述，在半导体辐射探测器中，当电离现象发生时，电子流向阳极106，空穴流向阴极104。在阴极104面对辐射源的典型实验装置中，许多电离现象发生在积累时期，然后检测到所产生的电荷信号脉冲，并显示在直方图上。在无低能拖尾的理想探测器中，所有的脉冲均比例于电离辐射112的能量。这将产生类似于图2的直方图，其中纵坐标为每个通道的计数，横坐标为电荷信号脉冲幅度。如图2所示，能量直方图没有拖尾效应，这是因为能量峰(或光峰)202是单能级E处的一条垂直线，能级E等于电离辐射112的能级。因此，所有的电荷信号脉冲幅度均等于电离辐射112的能级E，在任何脉冲中均没有电荷损耗。
图3中的曲线A和B示例了在非理想探测器中的低能拖尾的两个假设情况。曲线A表示如果电离辐射在晶体内部被均匀地吸收，即晶体吸收系数极低的情况，所产生的直方图分布。曲线B表示更加典型的情况，其中吸收在阴极附近很大，随着电离现象的发生位置在晶体内部沿着远离阴极的方向移动，吸收呈指数下降。在曲线A和B中，存在一个与电荷的完全搜集(幅度为E)相对应的最大信号302和明显的低能“拖尾”304、306。
图4表示由镉-锌-碲(CdZnTe)制作的实际半导体辐射探测器在钴-57(57Co)辐射源产生的γ射线的照射下所具有的、带有明显低能拖尾的能量直方图。该探测器的面积为6.1毫米×6.1毫米，厚度为3毫米。偏置电压为-500伏特。图4中的曲线分布有电子噪声，这是在画图3的假设曲线时没有考虑到的一种效应。与图3所示的曲线A和B一样，图4的直方图中具有明显的低能拖尾404。
因为半导体探测器中的低能拖尾效应是有害的，所以必须努力去解决该问题。减小半导体探测器拖尾效应的一种方法是降低信号脉冲-电荷幅度对电离辐射吸收位置的依赖程度。从原理上讲，这可以通过想办法将该区域限制在较小的范围内来实现，在该区域内电极前面的电荷云在电极上感应出电荷。如果实现了上述想法，电离现象产生的电荷云几乎不会在电极上感应出电荷，除非它非常靠近电极，之后电荷云基本上在该电极上感应出全部的电荷。该方法对于半导体是特别有用的，在半导体中，一种类型载流子(例如电子)的输运特性要优于另一种类型的载流子(例如空穴)。输运特性可以用“迁移率-寿命乘积”表示。一种类型载流子(例如空穴)和另一种类型载流子(例如电子)的输运特性之比用“迁移率-寿命-乘积比”表示。因此，上述的普通方法对于所有的迁移率-寿命-乘积比均是适用的，但是它特别适用于比率较大的半导体，该比率由较大的迁移率-寿命-乘积除以较小的迁移率-寿命-乘积。迁移率-寿命-乘积大于10的半导体包括镉-锌-碲、镉-碲和水银-碘化物。
利用上述方法来减小低能拖尾效应的早期尝试使用了具有半球形结构的半导体探测器。见，例如H.L.Malm et al.，“Gamma-RaySpectroscopy with Single-Carrier Collection in High ResistivitySemiconductors”，Appl.Phys.Lett.，vol.26，at 344-46(1975)。在Malm的探测器中，很大的镉-碲球形表面镀以金属制成阴极。阳极形成一个位于半球水平截面中心的小圆形。电极上的电压形成一个内部电场，其强度由阴极附近的较低值变化到小阳极附近的较高值。因此，电力线集中在球心附近。这种电场集聚的结果是阳极附近电子的移动速度要比探测器其余部分的电子的移动速度快得多。因为阳极上感应出的电荷反比于电荷云与阳极间距离的平方，所以当电荷云处于阳极附近时，可以感应出绝大部分的电荷。因此，单电荷脉冲幅度相对地对探测器中发生电离现象的位置不敏感。
然而，Malm方法具有一些缺点。首先，尽管能量分辨率高于平板型探测器，但是仍具有显著的拖尾效应。第二，制作半圆形结构的半导体晶体是困难的，因此成本很高。第三，该结构不能用于单片式探测器阵列结构。因此，该探测器基本上没有得到商业应用。
第二种方法利用平板型结构降低拖尾效应，在该结构中，将阳极分为两部分，一部分是直径为0.5毫米的圆，另一部分是环绕该圆的圆环，其电压与圆相同，阴极覆盖在另一面。见，例如F.P.Doty，et al.，“Pixilated CdZnTe Detector Arrays”Nucl.Instruments &Methods in Physics Research，vol.A 353，at 356-60(1994)。电子云感应出的电荷由小圆和圆环共享，这样，圆上感应出的电荷很小，除非电荷十分靠近圆。然后，在可与象素(pixel)尺度相比的范围内，全部电荷均在圆上感应出来。
第二种方法也具有显著的缺陷，因为它的搜集效率很低。这是因为只能搜集到正好在小阳极上方的电荷云。
第三种方法利用了这样一种结构，其中平板型CdZnTe探测器的阳极被分割为非常小的独立的探测器(象素)阵列，阴极仍是单个的、连续的电极。见，H.Barret，el al.，“Charge Transport in Arrays ofSemiconductor Gamma-Ray Detectors”，Phys.Rev.Let(印刷中)。这里，每个象素均与外部控制电路相连。电子云感应出的电荷由各象素共享，并且该电荷在任一特定的象素上都很小，除非电荷非常靠近该象素。
然而，第三种方法也具有显著的局限性。第一，它只适用于非常小的象素阵列。因此，该方法不能用于单体探测器。其次，该方法不能用于象素尺寸为毫米量级或更大的探测器阵列，例如核医疗成像器中的探测器阵列。
第四种方法利用了呈交错网格结构的阳极，阴极仍为平板形。见，例如，P.N.Luke，“Unipolar Charge Sensing with Co-PlanarElectrodes-Application to Semiconductor Detectors”IEEE Tran.Nucl.Science，vol.42，No.4，at 207-213(1995)。在Luke方法中，一组阳极网格的电压稍稍高于另一组。一列信号控制电路与一组网格相连，各列输出信号间的差异构成最终的输出信号。采用这种结构，当电荷云远离网格时，网格输出间的差值信号为零。随着电荷云靠近网格，在一个网格上感应出的电荷迅速上升，而另一网格上感应出的电荷迅速下降。因此，可以利用差异信号测量电子云中的全部电荷，而与发生电离现象的位置无关。
然而，Luke方法也具有一些缺点。首先，网格结构相对地较复杂，即使可能，也很难在探测器阵列中使用。第二，网格结构需要两个独立的放大链路以及不同的放大器，这将显著地增加产品的复杂性和成本。该电路也很难应用于探测器阵列结构所需的多通道集成电路。
最后一种减小低能拖尾效应的方法暗含在硅漂移腔中。见，例如，E.Gatti & P.Rehak，“Semiconductor Drift Chamber-AnApplication of Novel Charge Transport Scheme”Nucl.Inst.&Methods in Physics Research，vol.225，at 608-614(1984)。半导体漂移腔所依据的原理如下，在其两个表面之间嵌有整流结的、薄的、大面积半导体晶片可以通过小的阳极触点而处于完全耗尽状态。耗尽电场将电离粒子产生的电子限制在与其表面平行的埋藏电势沟道中。平行于表面的静电场(漂移电场)独立地叠加在电子上，并使电子沿着掩埋电势沟道向搜集电极移动。另外，搜集电极的电容极低且独立于探测器的有源区。应当指出，漂移腔可以由各种半导体制作。利用300微米厚的高阻(104至105欧姆-厘米)硅晶片成功地实现了上述漂移腔。该漂移腔在粒子物理学中用作高分辨率的位置探测器。
硅漂移腔方法也具有几个缺点。首先，整流结触点必须用来产生耗尽电场和漂移电场。由于结触点击穿电压的限制，可用的电压幅度是有限的。因此，这就限制了可以用作漂移探测器的晶片的厚度。第二，为了在狭窄的沟道内部有效地输运电荷，必须采用均匀的漂移沟道。为了在晶片上产生这种均匀的漂移电场，需要大量的、具有精确控制的固定电压的结触点。这显著地增加了制作成本和使用探测器的复杂性。第三，因为探测器厚度和所用半导体材料的低Z值(～14)的限制，对于能量高于10至20KeV的x射线和γ射线，其探测效率相当低。
硅探测器和高阻材料制作的探测器，例如CdTe和CdZnTe，均在信号电极周围采用了“保护环”。保护环通常保持在与信号电极相同的电位，主要用于防止由探测器边缘而来的暗电流到达信号电极，由此，防止了测量信噪比的降低。保护环不会显著地降低半导体探测器中出现的低能拖尾效应。
因此，需要减小半导体辐射探测器的低能拖尾效应，同时避免普通辐射探测器所具有的缺点和不足。本发明提供了一种这样的辐射探测器。
本发明涉及一种探测由源辐射出的电离辐射的器件和方法。电离辐射可以是高能光子，包括γ射线和x射线，或者带电粒子，包括β粒子和α粒子。然而，应当清楚的是，本发明可用于探测任何类型的电离辐射。
本发明利用了如下原理，即采用新颖的电极配置可以显著地降低半导体探测器中的低能拖尾效应，这些电极共享由探测器中的电离现象感应出的电荷，产生适当的电场，并将电荷搜集集中于小电极。在制作利用该原理的半导体辐射探测器的过程中，本发明利用了具有新颖的三电极配置的探测器结构，该结构有效地消除了拖尾效应，同时兼有高搜集效率。
根据本发明，提供了一种能量探测范围可以从几KeV到几百KeV的辐射探测器。该探测器包括三个制作在半导体晶体表面上的电极，晶体具有多个侧面，它的优选厚度为至少0.5毫米，优选地由具有高迁移率-寿命比率的半导体材料制作。第一电极是偏置电极，优选地全部覆盖晶体的一个侧面。优选地，至少一个小面积信号电极制作在与偏置电极相对的晶体侧面上。控制电极优选地与信号电极制作在同一侧面上。
具体地讲，在本发明中，控制电极和信号电极(或阳极)制作在半导体晶体的同一侧面上，而偏置电极基本上全部覆盖了与其相对的晶体侧面。优选地，半导体晶体由CdZnTe或CdTe制备。在最简化的结构中，阳极是一个位于晶体的电子-电荷-搜集侧面中心附近的小触点。阳极与外部信号电路相连，并经高阻电阻器连接到地。阴极与电压源相连，该电压源使阴极保持在相对于阳极为负的电位。优选地，控制电极的面积远大于阳极，并形成一个环绕阳极的单环。控制电极保持在相对于阳极为负的电位，但通常不低于阴极电位。
该结构可以在测量电离辐射能量时显著地消除低能拖尾效应。当辐射探测器吸收电离辐射时，将产生会在所有电极上感应出电荷的电荷云。各个电极上感应出的电荷量是电荷云与电极的间距以及电极面积的函数。由于其尺寸较小，阳极上的电荷很少，除非电荷云离阳极很近。另外，控制电极有助于改变电场的模式，以使电子云向阳极聚集。尽管电子云移向阳极，阳极上感应出的电荷仍旧很少，而控制电极上的电荷确逐渐积累起来，直到电荷云与阳极的间距与阳极尺寸处于同一量级为止。然后，阳极上的电荷迅速地增加，并达到电荷云的最大值，而控制电极上的电荷迅速地下降到零。空穴电荷云向阴极漂移，远离阳极，半导体中的空穴俘获效应主要通过控制电极和阴极观察。因此，信号电荷，即阳极上感应出的积累电荷，基本上等于全部电子电荷云感应出的电荷，而与其产生位置无关。消除信号与电离现象发生位置之间的依赖关系可以有效地消除低能拖尾效应。
利用电荷云和电极之间的电容以及电极间的电容，可以从概念上理解阳极与控制电极之间的感应电荷共享，以及在各个电极上感应电荷的建立和减少。
小阳极的另一个好处是建立在阳极附近使电荷云加速的电场集聚。该电场集聚可以由施加到控制电极的电压增强。当电荷云从其生成位置向阳极移动时，在任意小的时间增量内，阳极上感应出的电荷部分是移动速度的函数。在阳极附近，该速度在电场集聚的作用下显著地增加，结果，在与阳极很近的范围内阳极上感应出的电荷占总电荷的比例较大。因此，电场集聚可以进一步降低信号电荷对电荷云产生位置的依赖性。
阳极附近的电场集聚在外部电路中产生更快的上升-时间脉冲，以及脉冲之间的、更加一致的上升-时间。这对于降低由脉冲上升-时间导致的任何放大增益差异均是有益的。
本发明优选实施方案的细节将在附图和下面的说明中陈述。一旦了解了本发明的细节，各种其它的革新和修改对于本领域的技术人员均是显然的。
图1是现有技术平面型辐射探测器的剖面图。
图2是理想辐射探测器的能量脉冲直方图，其中纵坐标为每通道的计数，横坐标为电荷信号脉冲幅度。
图3是两种不同辐射探测器的能量直方图，其中曲线A表示如果电离辐射在整个半导体晶体内被均匀地吸收而产生的直方图，曲线B表示如果吸收在阴极附近较大，随着电离现象沿远离阴极的方向移动吸收呈指数下降而导致的直方图。
图4是实际的现有技术CdZnTe平面型探测器的能量脉冲直方图，显示出低能拖尾效应。
图5A是本发明单体配置的优选实施方案透视图。
图5B是将图5A所示的实施方案沿线5B-5B剖开而得到的侧视图，显示出半导体晶体内部产生的电场。
图6是本发明另一实施方案的透视图。
图7是本发明另一实施方案的透视图，显示出分段的控制电极。
图8是本发明另一实施方案的透视图，显示出多个控制电极和多个阳极。
图9是图5所示的本发明优选实施方案的能量脉冲直方图，利用了CdZnTe半导体。
图10A是本发明另一实施方案的透视图，显示出探测器阵列结构。
图10B是将图10A所示的阵列实施方案沿线10B-10B剖开而得到的侧视图。
图11是具有掩埋电极的辐射探测器剖面图。
在各个附图中，相同的数字和标号表示相同的元件。
在该说明中，所示的优选实施方案和实例仅仅是示例性的，而不是对本发明的限制。
1本发明辐射探测器的物理特性
图5A是本发明单体(或单象素)辐射探测器500的优选实施方案透视图。尽管只显示了单体探测器，应当清楚，本发明的探测器并不仅限于单体实施方案，也可以用于多象素配置。因此，多个单体探测器500可以组合在一起构成单体探测器阵列，或者根据本发明的原理，制作单片探测器列阵。图10显示了单片探测器列阵的例子，下面将对其进行描述。
图5所示的单体探测器500优选地可以探测在几KeV到超过1MeV范围内的能量。探测器500包括半导体晶体502、偏置电极504、信号电极506和控制电极508。适当地偏置电极可以在晶体502内部产生电场。依次地，电离现象产生电荷云，该电荷云在电场的作用下导向信号电极506。
在下面的讨论中，假定电子的迁移率-寿命乘积比空穴的大。本领域的技术人员可以知道，在相反的条件下，即空穴的迁移率-寿命乘积比电子的大时，电极化现象也会反转。
A半导体晶体
半导体晶体502是高阻、高Z值(大于34)的半导体材料晶片或板。优选地，晶体由高阻CdZnTe板组成，它可在室温下工作并可以制作探测器。另外，晶体502可以由CdTe、HgI2、PbI、或其它具有高阻特性且可以制作探测器的半导体材料构成。当然，本领域的技术人员知道实际上任何半导体材料都可用于本发明。
当用于光谱扫描模式时，由CdZnTe或CdTe制作的探测器除了产生与电离辐射的任一具体能量相对应的特征脉冲幅度之外还产生了许多低能脉冲，即，该晶体产生显著的低能拖尾效应。因此，在半导体板由CdZnTe或CdTe制作的辐射探测器中，按照减小拖尾效应的思路设计探测器是十分重要的。本发明提供了一种探测器结构，它可以有效地消除拖尾效应，因此特别适用于基于CdZnTe或CdTe的半导体辐射探测器。
如图5所示，半导体晶体502优选地是并排放置的长方体。然而，晶体502可以是任何形状，包括立方体、半圆球、圆柱体、圆锥体或斜方体。在一个实验实施方案中，晶体502的侧面510和512呈正方形，其长度“c”和“e”分别大约为6.1毫米，厚度“d”大约为3毫米。然而，应当理解，图5的尺寸仅仅是示例性的，其尺寸主要取决于使用探测器的具体应用和测量条件。因此，晶体502可以具有较大或较小的侧面510和512。典型地，侧面510和512的表面积在一百至几百平方毫米之间。
晶体502的厚度“d”可以大于或小于3毫米。然而，优选的是厚度大于0.5毫米，典型的厚度范围大约在1毫米和10毫米之间(下面将详述改变晶体502厚度而产生的效果)。本领域的技术人员将认识到，可以独立或协同地调节晶体的形状和尺寸，以实现晶体的性能或改进制作工艺。
本发明的新颖结构可以有效地用于电阻率大于10兆欧姆-厘米的任何半导体或绝缘探测器材料。如果半导体电阻率小于10兆欧姆，可以通过在一个电极处制作肖特基势垒或p-n结来有效地提高电阻率。
B偏置电极
偏置电极504作为导电层(例如通过金属化)完全覆盖在晶体502的侧面510上。(图5所示的实施方案中，电子迁移率-寿命乘积与空穴迁移率-寿命乘积之比大于1，因此偏置电极504用作阴极，并且在本说明的剩余部分仍旧如此使用。当然，如果迁移率-寿命乘积反转，极性也会反转，阴极504将用作阳极。)。阴极504可以只覆盖晶体502的部分表面、或者覆盖多个表面，和/或者数个阴极制作在同一侧面510上。此外，阴极504可以具有不同的形状和尺寸。
阴极504调整到偏置(或阴极)电压Vb，该电压相对阳极506为负，并依赖于晶体502的厚度“d”以及具体的应用。对于优选实施方案，晶体502大约3毫米厚，Vb的幅值大约从-200伏特到-1000伏特，最优选的是从大约-400伏特到大约-500伏特。然而，应当理解，Vb可以是任何适用的电压值。通过将阴极504与外部恒压源514相连，或者利用任何其它适用的、可以建立和保持基本恒定电压值的装置，将阴极调整到Vb。优选地，阴极504通过导线与电压源513相连。
C信号电极
在图5的实施方案中，信号电极506优选地是位于侧面512中心或在其附近的小导电触点，侧面512是与在优选实施方案中制作阴极504的侧面510相对的半导体晶体板502的表面。(如上所述，在图5的实施方案中，电子的迁移率-寿命乘积大于空穴的乘积，因此信号电极506作为阳极，并在本说明的剩余部分仍如此使用。如果发生反转，那么极性将发生反转，阳极将用作阴极。)图5A中的阳极506是直径大约为1毫米的圆形，直径小于长度“a”。因此，优选地，阳极506是制作在侧面512表面上的“点”接触。然而，类似于阴极504，阳极506可以制作成各种形状，例如圆形、正方形、矩形或三角形，且其尺寸是不固定的。
阳极506优选地通过导线与外部信号电路516相连，通过电阻器与阳极电位相连，该电位在图5的优选实施方案中是地514。因此，阳极506处于比阴极504更正的电位Va，而阴极504，如上所述，处于负电位。结果，在阳极506和阴极504之间存在偏置电压，该偏压在晶体内部产生电场。本领域的技术人员知道，Va并不一定要处于地电位。此外，Va可以是任何电压值，只要Va和Vb处于不同的电压值以便在阴极504和阳极506之间建立偏压。
D控制电极
第三电极，控制电极508，在优选实施方案中与阳极506一样制作在晶体502的同一侧面512上。如图5A所示，控制电极508的形状可以是环绕阳极506的导电圆环，其内径“a”大约为4毫米，外径“a”+“2b”大约为6毫米。图6显示了本发明辐射探测器600的又一实施方案，其中，控制电极608在侧面612的周界上形成一个矩形环，该环围绕着阳极606。在辐射探测器600中，控制电极608的宽度大约为0.5毫米。如这里定义的，“环”是指具有任意形状(例如圆形、矩形、或正方形)的物体或结构，它完全或部分地包围或基本上环绕另一个物体或结构。因此，应当理解，控制电极508不是仅限于环绕阳极506的圆形或矩形环，如图5A和6所示，而是可以呈正方形、三角形、或其它环形。此外，控制电极508不需要环绕阳极506。实际上，控制电极508可以是“非完整”的圆形或正方形(而不是完整的环形)，或者是在阳极506附近形成的非规则区域。下面将详细描述一些控制电极/阳极的其它结构。
控制电极508具有控制电压Vc，该电压可以是恒定电压值，或者是可控的或任意变化的电压值。优选地，与Vb一样，Vc相对于阳极为负。此外，Vc的幅值通常处于Vb和Va的幅值之间。然而，Vc的幅值可以比Vb更负。相应地，在优选实施方案中，Va和Vc存在下述关系：Vc＜Va
在许多应用中，当Vc＝Vb时可以达到最大探测灵敏度。
可以用多种方法建立Vc。例如，如图5A所示，控制电极508可以连接到产生基本恒定电压的外部电压源522。电压源522用于保证控制电极508处于Vc。当外部电压源522用于建立Vc时，电流流入或流出控制电极508，这取决于Vc是高于还是低于由控制电极到阳极和阴极的有效阻抗而建立的电位。
另外，如图6所示，控制电极608可以连接到与地614相连的电容器624。电容器624可以是任何类型的电容器，包括分立电容器、单片电容器、厚膜电容器或集成电路电容器，或者电容器624还可以是系统的寄生电容。电容器624充电到由Vb-Va和由阴极604到控制电极608以及控制电极608到阳极606之间的内部电阻抗而确定的电压值。电容器624可以在单电荷搜集过程中当电荷扫过控制电极608时防止Vc发生显著的变化。
在另一方案中，Vc(和Va和Vb，对于这种情况)可以利用AC电压建立，例如利用电压源522。类似地，Va、Vb和/或Vc可以通过数字阶梯波形或其它波形建立。利用这种可调的电压源，可以调制或主动地改变Vc，以便调节或改变阳极506的电荷信号脉冲的输出计数率。
在优选的辐射探测器500中，控制电极的位置和尺寸应保证，控制电极508保持在大约-250伏特，当Vb大约为-500伏特时，该电压是Vc的容许工作电压，其中只有一个小电容(例如大约1000pF)连接到控制电极508。因此，尽管本发明辐射探测器的各种实施方案需要三个电极，向任一探测器实施方案中添加电容器624将使得探测器相对于外部电路以两端器件的形式工作。另外，控制电极508和阴极504可以连接在一起，探测器500可以相对于外部电路以两端器件的形式工作，Vb等于Vc。此外，如下面将详细描述的，控制电极508保持在最佳电压Vc附近，半导体晶体502中的几乎全部电子电荷云均被阳极506搜集。因此，几乎完全消除低能拖尾效应，探测效率极高。控制电极508还可减小晶体502边缘中的缺陷产生的影响。
E电极结构和特征
图7示例了具有分段的阳极706和控制电极708的本发明另一实施方案。图7中阳极706分成数个段730，控制电极708也分成数个段732。阳极706和控制电极708均可以有任意个段730、732，每个段可以具有任意的形状。此外，单个阳极706或控制电极708所具有的全部段730、732不必具有相同的形状或相同的尺寸。因此，单个电极中的每个段均可以具有自己的形状和尺寸。
不同的段730、732具有不同的电压，以便优化半导体晶体504内部的电场分布。本领域的技术人员将知道，这种优化电压可以凭经验选择。
另外，如图8所示，在半导体晶体504上可以制作多个控制电极808和阳极806。各个控制电极808可以具有任意的形状和尺寸，可以相对阳极806放置在不同的各种位置。利用段730、732，不同的控制电极808可以调整到不同的电压值以优化电场分布。另外，控制电极808可以制作在晶体504上的不同位置，以优化电场分布。
如图8所示，控制电极808和阳极806均不需要制作在与阴极804所在的表面相对的探测器800的表面。例如，在图8的探测器中，阴极804制作在立方体半导体晶体802的第一表面810上。第一控制电极808a和阳极806均制作在与第一表面810相邻的第二表面840上。第二组控制电极808b和阳极808b制作在与第一表面810相对的第三表面812上。另外，晶体802可以在一个相邻表面840上具有控制电极808，在另一个相邻表面842上具有阳极806c。从上述内容可以知道，阳极和控制电极在晶体上的任何分布均是可能的，只要建立的晶体内部电场将电子电荷向阳极聚集同时使阳极免除空穴俘获效应。
此外，阴极、阳极和控制电极均不需要限制在晶体的单一表面上。例如，如图8所示，控制电极808b从晶体的一个表面绕过棱边，延展到相邻表面。电极甚至可以延展到多个相邻表面。另外，电极的形状可以是完全或部分地环绕晶体的带状。
利用不同的技术，电极可以制作在晶体502的表面或者在其内部。优选地，电极是金箔，它通常用在CdZnTe探测器的制作工艺中，采用电化学的方法淀积在晶体502的表面上。另外，其它导电材料，包括铂、铑或其它金属，也可以用电化学的方法淀积在晶体502的表面上，以形成电极。本领域的技术人员知道，几乎所有的导体均可以用作电极。作为电化学淀积的替代方法，可以采用气化、溅射或表面合金的方法在晶体502上淀积电极材料。电极还可以利用其它技术制作，例如导电材料的离子束淀积和化学气相淀积。电极可以制作成各种结构，包括台面型结构、沟型结构和掩埋型结构。图11示例了辐射探测器1114中的掩埋型阳极1110和控制电极1112。
电极间的隔离采用各种方法实现。例如，通过改变晶体502的表面和/或利用晶体表面的体材料(即，利用任何工艺形成的钝化或阻性层)可以实现电极的隔离。
电极优选地是欧姆接触。然而，本发明的电极不必是欧姆接触；它们可以是整流结、p-n结、或一些其它类型的接触。
II辐射探测器的操作
参照图5的优选实施方案描述本发明辐射探测器的操作部分。然而，应当知道，下述的原理适用于本发明的任一实施方案。
A工作原理
下面将讨论什么是具有本发明操作特性的物理基础。完善的理论研究证实本发明的操作原理是正确的，应当理解，本发明的使用不会改变下述讨论的正确性。此外，尽管下面的说明是参照图5的辐射探测器500进行的，应当理解，所述的原理和理论适用于本发明的任何结构。
半导体晶体502具有电子和空穴。当电离现象在晶体502内部发生时，电子和空穴分别形成电子云和空穴云，并在晶体502内部以特定的方式输运。如上所述，描述输运特性的关键性的电子参数和空穴参数是：1)迁移率μ，决定了电子或空穴在特定电场中的移动速度；2)俘获时间T，它是由电离辐射产生的电子或空穴保持游离态并可以参与输运过程的平均时间。迁移率-寿命乘积(μT)是分析半导体辐射探测器的关键参数，电子的迁移率-寿命乘积为(μT)e，空穴的迁移率-寿命乘积为(μT)h。在特定的半导体中，电子和空穴的迁移率-寿命乘积具有很大的差异。如果在半导体上制作电极，并在电极之间建立电压，那么半导体内部的电场E将使电子向阳极漂移，使空穴向阴极漂移。
在半导体中，例如CdTe和CdZnTe，电子的迁移率-寿命乘积通常远大于空穴的乘积，迁移率-寿命比值(μT)e/(μT)h通常大于10。(然而下述原理也可以应用于(μT)e/(μT)h较小或较大的半导体探测器)。在其它高阻半导体中，例如HgI2和PbI，迁移率-寿命比值会更高。为了便于理解，假定电子的平均自由程(μTE)相对于探测器厚度较大，而空穴的较小。电离辐射产生的电子基本上全部到达阳极，而多数空穴在到达阴极之前被俘获。在这些条件下，平面型探测器中的输运电荷总量强烈地依赖于晶体中发生电离现象的位置。如果现象发生在阴极很近，电子将全部扫过晶体而到达阳极，而空穴扫向阴极，外部电路将检测到电离辐射产生的全部电荷。如果现象发生在阳极附近，电子将扫向阳极，而空穴将被俘获，最后的效果将产生下降很多的输出信号。若现象发生在阳极和阴极中间，外部电路中感应出的分布电荷比例是现象发生位置与阳极间距的函数。电荷响应对现象发生位置的依赖性是平面型探测器产生有害的低能拖尾效应的根源。
利用本发明的三电极探测器，至少有三个因素有助于消除低能拖尾效应。
第一，低能拖尾效应基本上按照阳极506与控制电极508的面积比值降低。当电离现象在探测器500内部产生电荷云时，在所有的电极上均感应出电荷。电极电压建立的电场518将电子云导向阳极506，将空穴云导向阴极504。通常，控制电极508上感应出的电荷一开始远大于阳极506上的电荷，这是因为在电荷云和阳极506、电荷云和控制电极508之间存在相对电容(大约为它们的面积之比)。该条件是成立的，除非电荷云与阳极506的间距小于与控制电极508的间距。当电子云到达阳极506时，由于阳极附近的电场518是高度集聚的，所以电子云在靠近阳极的过程中得到加速，阳极506上的电荷迅速地建立起来并达到电子云的完全值。与此相反，随着空穴云移近阴极504，在阳极506上发生的效应将会消失。因此，在平面型探测器中产生低能拖尾效应的影响将会从阳极信号中减小，其减小量近似为阳极与阴极的面积比。因此，信号电荷，即阳极506搜集的全部电荷，基本上为电离现象产生的全部电荷，而与晶体502中发生该现象的位置无关。可以知道，该探测方法消除了阳极电荷响应对电离现象发生位置的依赖关系，而该依赖关系是有害的低能拖尾效应的根源。此外，控制电极508上的负偏压可以防止控制电极508搜集电子电荷云，因此，保证了高搜集效率。
第二，电场整形有助于降低低能拖尾效应。图5B是图5A的辐射探测器500的侧剖视图。显示了经计算得到的、可以由优选的三电极配置产生的电场518。如图5B所示，电场518的特征是晶体502内部的电力线520在阴极504和阳极506之间的大部分位置上均是平行的。电力线在靠近阳极506时开始高度集聚。因为阳极506上感应出的电荷比例是电荷云移动速度的函数，同时随着电荷云靠近阳极506，电场518的集聚使漂移速度增加，所以在短时间内，阳极506上感应出总电荷的大部分。利用控制电极508来增强阳极506附近的电场集聚使阳极506感应出具有更快上升时间的电荷信号，同时减小了在半导体中，例如CdTe和CdZnTe，通常会遇到的上升时间差异。这会使限幅倍数有限的外部电路516具有更加一致的放大倍数。
第三，控制电极508还可以去除一些在晶体502的周界附近产生的、输运特性较差的电荷云，在周界附近更容易产生结构缺陷。然而，通过调节控制电极508的电压，这种电荷云可以由控制电极508搜集而不是阳极506，因此，防止了这类电荷云引起低能拖尾效应。
B实际探测器的操作实例
图9显示了利用依据图5中的探测器500构造的实际辐射探测器对来自Tc-99mm的λ辐射进行探测而得到的信号脉冲直方图。实际探测器利用了长方体CdZnTe半导体晶体。晶体的侧面尺寸为6.1毫米×6.1毫米，厚度为3毫米。探测器的阴极覆盖晶体的一个表面，阳极和控制电极在与之相对的另一个表面，Va＝0伏特，Vb＝-450伏特，Vc＝-250伏特。
图9清楚地表明利用本发明可以有效地消除低能拖尾效应。在电离辐射的能级位置存在着很大的光峰，只检测到少量的低能脉冲，由尾部904表示。将图9的直方图与图4的相比较，本发明的探测器可以显著地降低拖尾效应。图4的直方图用常规CdZnTe平面型探测器获得，该探测器的晶体尺寸和质量与图9的相同。可以看到，图4在目标能量位置具有一个展宽的光峰402，表明分辨率降低，和相当数量的低能拖尾404，表明峰值效率降低。值得注意的是三个能量峰的相对幅度。峰内的总计数应当正比于该峰值能量的辐射概率。对于钻-57，那些概率为：1)14.413KeV-9.14％，2)122.06KeV-85.68％，和3)136.45KeV-10.67％。在图9中，峰内计数的相对幅度非常接近于那些辐射概率，而在图4中可以清楚地看到，至少有一半应当处于峰内部的计数处在高能峰的低能拖尾中。(图4和图9中的两条曲线是利用尺寸和外围材料均相同的探测器获得的；因此，可以比较两条曲线的相对峰值幅度，尽管在没有每个峰的光子吸收数据的条件下，不能直接比较峰值幅度。)
相应地，如图9的直方图所示，增加控制电极508及其对电场518形状的影响使低能拖尾效应显著地减小。因此，本发明的探测器实现了高分辨率和高搜集效率，尽管在高阻、大迁移率-寿命比值的半导体材料中存在着电荷输运的问题。此外，本发明制作起来既简单又便宜。
C操作的其它方面和特征
Vc的幅度可以通过实验确定。如果Vc的幅度太小，阳极506只能搜集到部分电子云，辐射探测器500的搜集效率将很低。Vc的最佳值决定于电极的几何外形。在图5所示的辐射探测器500中，Vc的优选电压在(Va+Vb)/2和Vb之间。
可以调整阴极504和控制电极508间的阻抗以及控制电极508和阳极506之间的阻抗，以实现特定的性能。通过改变电极的几何形状以及通过离子损伤、离子注入、热-化学处理、和/或其它方法来改变体电阻和表面电阻，可以实现上述目的。
本发明的辐射探测器几乎可以应用于各种厚度的晶体。然而，优选的是厚度至少为0.5毫米。对厚度的唯一限制是较大的μT乘积(即(μT)h或(μT)e)对于大多数电荷载流子必须足够地大，以便能够横穿晶体。对于现有技术水平的CdZnTe，该厚度大约是10毫米。对于晶体上的单个阳极，探测器的有效面积必须受到电子器件所固有的最大阳极电容的限制，以及电场形成能力的限制，该电场将电子导向阳极。利用几何形状适当的阳极和控制电极可以实现较大的面积。较大的面积可以用来制作与下述探测器阵列结构类似的网格结构，只是阳极连接在一起。
因此，本发明半导体晶体的厚度是很关键的，因此可以为大范围的辐射能量提供高阻抗和高搜集效率。
在本发明的辐射探测器中，如图5B所示，电极的位置以及给电极施加的偏压要保证产生这样一种电场518，它将沿着基本垂直于表面510且平行于入射辐射112的方向引导电荷，其中辐射112照射在探测器500的表面510上。
根据半导体晶体的厚度和应用需求选择Vb-Va的值。对于3毫米厚的晶体，Vb-Va的值大约是-400伏特。
如果新器件的实施方案保持在电离辐射的恒定通量中，调节控制电极508的电压使之低于最优值将使得计数速率以相应的方式变化。因此，本发明的辐射探测器可以用于调制来自电离辐射束的信号。
III探测器阵列实施方案
图10显示了根据本发明的探测器阵列实施方案1000。图10A是探测器阵列1000的透视图。图10B是探测器阵列1000的侧剖面图，显示了半导体晶体1002的内部电场1018。
阴极1004优选地基本覆盖半导体晶体1002的全部底面1010。然而，阴极1004不必完全覆盖晶体1002的底面1010，可以是任何所需的尺寸和形状(例如，正方形网格)。半导体晶体1002基本上类似于上面在图5中描述的、单体探测器500中的晶体502，只是电极侧面1010、1012的表面积较大，以便于容纳阳极阵列1006和控制网格1008。晶体1002可以制作在单片或拼接半导体材料上。
利用数个阳极1006替换单个阳极，并将控制电极作成网格状，就可以制成探测器阵列1000，其中，如图所示，阳极1006位于晶体1002的顶面1012。因此，各个阳极1006及其控制网格1008的环绕部分构成一个象素。阳极1006和控制网格1008可以利用普通的半导体工艺制作。该象素阵列特别适用于辐射摄像机，例如，用在工业应用和医疗应用中。
除了降低低能拖尾效应、提高分辨率和搜集效率等优点之外，本发明的探测器阵列结构，如图10B所示，还建立了一种电场图案1018，该电场图案将各个象素彼此隔离，因此防止了串扰发生。此外，因为阳极1006可以做得比控制网格1008更小，所以在阳极1006和控制网格1008之间可以基本上实现隔离。这可以降低网格间的漏电流，该漏电流是探测器阵列器件中产生有害噪声的根源。
探测器阵列1000的工作原理与上述的、各种单体探测器实施方案的工作原理相同。因此，控制网格1008和阳极1006共享电子云感应出的电荷，但是，由于控制网格1008大于阳极1006，所以可以基本上消除阳极1006的低能拖尾效应。此外，控制网格1008优选地设定为接近于阴极1004电压Vb的电压值Vc。另外，对于探测器阵列1000，存在下述电压关系：Vc＜Va。如上所述，该电压关系使电场形成一个将电子云导向阳极1006的电场路径。结果，电子云在小阳极1006上感应出全部电荷。这可以显著地减低探测器阵列1000中的所有阳极象素1006的低能拖尾效应。
尽管只显示了单个电极1008，可以利用区域控制网格制作控制区域或阳极1006的子集，或者利用控制网格制作每个阳极。
在制作成阵列的实验单元中，通过在适宜的半导体晶体(CdZbTe)上制作控制网格和中心电极而制成数个3毫米×3毫米的正方形象素探测器。该阵列特别适于用作核医疗设备中的成像器。
全部或部分阳极1006在电气上并行地连接在一起。因此，可以利用图10的结构制作面积比单阳极探测器大得多的单体探测器。另外，这种大面积探测器的总体电容较低，使探测器1000具有比例于其面积或体积的高灵敏性和类似于小探测器的高分辨率。
IV结论
本发明的主要特征是以下述方式将控制电极、阳极和阴极组合在一起，即保证阳极基本上能够搜集到辐射吸收现象产生的全部电荷，同时防止了空穴俘获效应对阳极的影响，消除了信号中的大部分低能拖尾效应。电极的配置还可以保证晶体内部的电场图案将电离辐射产生的电子云有效地导向阳极。
已详述了本发明的数个实施方案。然而，应当理解，在不偏离本发明宗旨和范围的前提下，可以作各种改动。相应地，应当理解本发明不仅仅限于具体示例的实施方案，而是受限于附属权利要求的范围。
权利要求书按PCT19条的修改
1.一种辐射探测器，包括：
a)具有数个侧面且厚度至少为0.5毫米的半导体；
b)制作在至少一个半导体侧面的偏置电极；
c)制作在至少一个半导体侧面的信号电极；
d)制作在至少一个半导体侧面的至少一个控制电极，将由半导体内部的电离现象产生的电荷云导向信号电极，显著地降低了信号电极上的半导体空穴俘获效应。
其中，辐射探测器可以有效地探测高于20KeV的能量。
2.根据权利要求1的辐射探测器，其中半导体的Z值大于34。
3.根据权利要求1的辐射探测器，其中半导体的电阻率大于107欧姆-厘米。
4.根据权利要求1的辐射探测器，其中信号电极探测输出计数率，探测器包括为改变输出计数率而向控制电极提供可变电压的装置。
5.根据权利要求1的辐射探测器，其中半导体包括CdTe。
6.根据权利要求1的辐射探测器，其中半导体包括CdZnTe。
7.根据权利要求1的辐射探测器，其中信号电极和控制电极处于同一半导体侧面。
8.根据权利要求1的辐射探测器，其中信号电极和控制电极处于不同的半导体侧面。
9.根据权利要求1的辐射探测器，其中偏置电极是至少部分地覆盖第一半导体侧面的阴极。
10.根据权利要求1的辐射探测器，其中偏置电极连接到偏置电压源，其中偏置电极是具有阴极电压Vb的阴极，Vb基本保持在固定值。
11.根据权利要求10的辐射探测器，其中信号电极连接到信号电极电压源，其中信号电极的电压为Va，而Vb-Va由半导体的厚度确定。
12.根据权利要求11的辐射探测器，其中半导体的厚度大约为3毫米，Vb-Va大约为-500伏特。
13.根据权利要求10的辐射探测器，其中信号电极连接到信号电极电压源，其中信号电极是具有阳极电压Va的阳极，Va近似为地电位。
14.根据权利要求10的辐射探测器，其中控制电极连接到控制电极电压源，其中控制电极具有控制电极电压Vc，Vb近似为地电位。
15.根据权利要求10的辐射探测器，其中控制电极连接到控制电极电压源，信号电极连接到信号电极电压源，控制电极具有控制电极电压Vc，信号电极具有电压Va，Vc＜Va。
16.根据权利要求1的辐射探测器，其中控制电极连接到控制电极电压源，信号电极连接到信号电极电压源，控制电极具有控制电极电压Vc，信号电极具有电压Va，Vc＜Va。
17.根据权利要求10的辐射探测器，其中控制电极连接到控制电极电压源，信号电极连接到信号电极电压源，控制电极具有控制电极电压Vc，信号电极具有阳极电压Va，Vc近似等于(Va+Vb)/2。
18.根据权利要求10的辐射探测器，其中控制电极连接到控制电极电压源，控制电极具有控制电极电压Vc，Vc近似等于Vb。
19.根据权利要求1的辐射探测器，其中控制电极连接到恒定电压源。
20.根据权利要求10的辐射探测器，其中控制电极连接到电容器的第一端子，电容器的第二端子连接到地电位。
21.根据权利要求20的辐射探测器，其中信号电极连接到信号电极电压源，信号电极是具有阳极电压Va的阳极，第一阻抗位于偏置电极和控制电极之间，第二阻抗位于控制电极和信号电极之间，电容器和控制电极充电到由Vb-Va确定的电压值。
22.根据权利要求1的辐射探测器，其中偏置电极是具有阴极表面的阴极，信号电极的表面积大大地小于阴极的表面积。
23.根据权利要求22的辐射探测器，其中信号电极是位于与具有阴极的第一侧面相对的半导体表面的阳极。
24.根据权利要求23的辐射探测器，其中控制电极位于相对的表面并且环绕阳极。
25.根据权利要求24的辐射探测器，其中控制电极包括环绕阳极、且基本上呈圆形的环。
26.根据权利要求1的辐射探测器，其中偏置电极、信号电极和控制电极均制作在半导体表面。
27.根据权利要求26的辐射探测器，其中偏置电极、信号电极和控制电极均包括金箔。
28.根据权利要求1的辐射探测器，其中偏置电极、信号电极和控制电极中的至少一个掩埋在半导体表面的下面。
29.根据权利要求1的辐射探测器，其中信号电极分割成多个部分。
30.根据权利要求1的辐射探测器，其中控制电极分割成多个部分。
31.根据权利要求1的辐射探测器，其中辐射探测器包括多个控制电极。
32.一种探测电离辐射的辐射探测器，包括：
a)具有数个侧面且响应于电离辐射的半导体；
b)制作在半导体第一侧面的阴极，阴极具有阴极表面，其中阴极连接到阴极电压源，阴极具有阴极电压Vb；
c)制作在半导体第二侧面的阳极，第二侧面与第一侧面相对，并具有一个中心，阳极包括靠近第二侧面中心的触点，其表面积大大地小于阴极表面积，其中阳极连接到阳极电压源，阳极具有阳极电压Va；
d)制作在半导体第二侧面的控制电极，控制电极形成一个环绕阳极的单环，其中控制电极连接到控制电压源，控制电极具有控制电压Vc，Vc＜Va。
33.根据权利要求32的辐射探测器，其中半导体由CdZnTe制作。
34.根据权利要求32的辐射探测器，其中半导体具有一个厚度，Vb-Va依赖于该厚度。
35.根据权利要求34的辐射探测器，其中半导体的厚度大约为3毫米，Vb-Va大约为-400伏特。
36.根据权利要求35的辐射探测器，其中Va近似等于地电位，Vc近似等于-300伏特。
37.根据权利要求32的辐射探测器，其中控制电极连接到恒定电压源。
38.根据权利要求32的辐射探测器，其中控制电极连接到电容器的第一端子，电容器的第二端子连接到地电位。
39.根据权利要求38的辐射探测器，其中第一阻抗位于阴极和控制电极之间，第二阻抗位于控制电极和信号电极之间，电容器和控制电极充电到由该阻抗和Vb-Va确定的电压值。
40.根据权利要求32的辐射探测器，其中阴极、阳极和控制电极中的至少一个制作在半导体表面。
41.根据权利要求40的辐射探测器，其中阴极、阳极和控制电极中的至少一个包括金箔。
42.根据权利要求32的辐射探测器，其中阴极、阳极和控制电极中的至少一个掩埋在半导体表面的下面。
43.根据权利要求32的辐射探测器，其中阳极和控制电极在半导体表面上是隔离的。
44.根据权利要求32的辐射探测器，其中阳极和控制电极由半导体表面上的体材料隔离。
45.根据权利要求32的辐射探测器，其中控制电极是一个圆环。
46.根据权利要求32的辐射探测器，其中控制电极是一个矩形环。
47.一种利用辐射探测器探测辐射源发出的电离辐射的方法，辐射探测器包括具有多个侧面的半导体，半导体包括控制电极、阴极侧面和阳极侧面，阴极侧面具有阴极，阳极侧面具有阳极，该方法包括以下步骤：
a)将辐射探测器放置在源发出辐射的路径内；
b)通过施加在阴极和阳极上的偏置电压，在半导体内部产生电场；
c)电离辐射在半导体内部产生电子电荷云以及伴生的空穴云；
d)电场将电子电荷云导向阳极；
e)当距阳极较远时，电荷云感应出的电荷由阳极和控制电极共享，这样，阳极感应出的电荷与控制电极感应出的电荷相比很小；和
f)电子电荷云在控制电极上感应出的电荷减少至零，阳极上的感应电荷增加到到达阳极的电子电荷云的完全值。
48.根据权利要求47的方法，其中阳极具有阳极尺寸；当电子电荷云位于距阳极的距离近似等于阳极尺寸的范围内时，在阳极上感应出电子电荷云的完全值。
49.根据权利要求47的方法，其中电子电荷云包括多个移动的电子，导引电子电荷云的步骤还包括以下步骤：
a)电场形成数条导引路径，每条导引路径均具有始端和末端，数条导引路径在始端基本上是相互平行的，并且在靠近末端时转向阳极；和
b)沿着相应的导引路径将多个电子导向阳极。
50.根据权利要求47的方法，还包括步骤：
a)将控制电极偏置到控制电压Vc；
b)将阳极偏置到阳极电压Va；
c)将阴极偏置到阴极电压Vb；和
d)保证Vc的电压值低于Va。
51.根据权利要求47的方法，还包括制作环绕阳极的控制电极的步骤。
52.根据权利要求47的方法，还包括步骤：
a)将控制电极连接到电容器；和
b)将电容器连接到地电位。
53.根据权利要求52的方法，还包括步骤：
a)将阴极偏置到阴极电压Vb；
b)将阳极偏置到阳极电压Va；和
c)将电容器和控制电极充电到由Vb-Va确定的电压值。
54.根据权利要求47的方法，其中半导体包括多个可移动电子，电子电荷云包括至少该多个可移动电子的一部分。
55.根据权利要求47的方法，还包括将阳极分割为数个部分的步骤。
56.根据权利要求47的方法，还包括将控制电极分割为数个部分的步骤。
57.一种探测电离辐射的系统，包括：
a)辐射探测器，包括：
1)具有数个侧面的半导体，
2)制作在半导体阴极侧面的阴极，
3)制作在至少一个非阴极侧面的半导体侧面上的阳极，
4)制作在至少一个非阴极侧面的半导体侧面上的控制电极；和
b)在半导体内部形成电场的装置；
其中，当辐射探测器吸收电离辐射时，电离辐射在半导体内部产生可移动电荷云；
其中，电场将电子电荷云导向阳极；
其中，当电荷云距阳极较远时，电荷云感应出的电荷由阳极和控制电极共享，这样，阳极电荷很小；和
其中，随着电子电荷云靠近阳极，电子电荷云在阳极上感应出的电荷增加。
58.根据权利要求57的系统，其中阳极具有阳极尺寸；形成电场的装置、控制电极和阳极这样配置，使得当电子电荷云到达阳极时，全部的电荷感应在阳极，这一现象几乎完全发生在距阳极的距离近似等于阳极尺寸的范围内。
59.根据权利要求57的系统，其中电子电荷云包括数个可移动电子；形成电场的装置这样配置，使得电场形成数条导引路径，每条导引路径均具有始端和末端，数条导引路径在始端基本上是相互平行的，并且在靠近末端时转向阳极；数个可移动电子沿着相应的导引路径导向阳极。
60.根据权利要求57的系统，其中控制电极环绕阳极。
61.根据权利要求57的系统，其中形成电场的装置包括连接到控制电极和地电位的电容器。
62.根据权利要求61的系统，其中阳极具有电压Va，阴极偏置为阴极电压Vb；其中电容器和控制电极充电到由Vb-Va确定的电压值。
63.一种探测电离辐射的设备，包括：
a)具有至少三个电极，包括阴极、阳极和控制电极，以及将每个电极偏置到某一电位的装置的半导体，其中在半导体内部产生了电场；
其中，半导体吸收电离辐射时，电荷云在半导体内部产生；
其中，电荷云在半导体内部感应出电荷，电荷由阳极和控制电极共享，直到电荷十分靠近阳极为止。
64.根据权利要求63的设备，其中控制电极的电位低于阳极电位。
65.根据权利要求63的设备，其中半导体由CdZnTe材料制备。
66.根据权利要求63的设备，其中控制电极和阳极制作在同一半导体侧面，控制电极形成一个环绕阳极的环。
67.根据权利要求63的设备，还包括连接到控制电极和地电位的电容器。
68.根据权利要求63的设备，其中阳极制作在一个半导体侧面，电场具有数条电力线，电力线基本上相互平行，并且基本上垂直于形成阳极的侧面，随着电力线接近形成阳极的侧面，电力线向阳极汇聚。
69.根据权利要求68的设备，其中电力线配置得使电荷云导向阳极。
70.根据权利要求63的设备，其中阳极具有阳极尺寸；三个电极这样配置，使得当电荷云处于与阳极的距离基本上等于阳极尺寸的范围内时，控制电极只有极少量的电荷。
71.根据权利要求70的设备，其中三个电极这样配置，使得当电荷云远离阳极一段距离后，阳极上只有少量的电荷。
72.根据权利要求63的设备，其中半导体包括数个可在半导体内部移动的电子；三个电极这样配置，使得电荷云至少包括一些可移动电子。
73.一种探测电离辐射的设备，包括厚度至少为0.5毫米、至少有三个电极的半导体，包括阴极、阳极和控制电极，还包括在半导体内部产生电荷云的电离辐射、制作在半导体上的电极，以及偏置电极以便在半导体内部产生电场的装置，这样电场图案使电离辐射产生的电荷云向阳极聚集，因此显著地降低了阳极上的半导体空穴俘获效应，其中辐射探测器的可探测能量高于20KeV。
74.根据权利要求73的设备，其中控制电极的偏置电压低于阳极偏置电压。
75.根据权利要求73的设备，其中半导体具有数个侧面，控制电极和阳极制作在与制作阴极的侧面相对的半导体侧面，控制电极环绕阳极。
76.根据权利要求73的设备，其中阳极包括触点。
77.根据权利要求73的设备，其中控制电极连接到电容器，电容器连接到地电位，控制电极和电容器充电到由阳极和阴极电压确定的电压值。
78.一种辐射探测器阵列，包括：
a)具有数个侧面、厚度至少为0.5毫米的半导体；
b)制作在至少一个半导体侧面的阴极；
c)制作在至少一个半导体侧面的阳极阵列；和
d)制作在至少一个半导体侧面的控制电极图形，用于将半导体内部的电离现象产生的电荷云导向各自的阳极，并显著地降低阳极阵列上的半导体空穴俘获效应，控制电极图形配置得使之可以影响阳极阵列中的各个阳极，
其中，辐射探测器可有效探测的能量高于20KeV。
79.根据权利要求78的辐射探测器，其中控制电极图形包括网格图形。
80.根据权利要求78的辐射探测器，其中各个阳极由控制电极图形的相应部分环绕；各个阳极和相应的部分构成一个象素。
81.根据权利要求78的辐射探测器，其中阳极阵列中的至少部分阳极电连接在一起。
82.根据权利要求18的辐射探测器，其中Vc＝Vb。
83.根据权利要求18的辐射探测器，其中控制电极连接到偏置电极。
84.根据权利要求18的辐射探测器，其中控制电极是偏置电极的一部分。
85.根据权利要求32的辐射探测器，其中Vc＝Vb。
86.根据权利要求32的辐射探测器，其中控制电极连接到偏置电极。
87.根据权利要求32的辐射探测器，其中控制电极是偏置电极的一部分。
88.根据权利要求50的方法，包括偏置阴极和控制电极的步骤，使得Vc＝Vb。
89.根据权利要求49的方法，其中控制电极连接到偏置电极。
90.根据权利要求49的方法，其中控制电极是偏置电极的一部分。
91.根据权利要求62的系统，其中控制电极具有电压Vc，Vc＝Vb。
92.根据权利要求57的系统，其中控制电极连接到阴极。
93.根据权利要求57的系统，其中控制电极是阴极的一部分。
94.根据权利要求63的系统，其中控制电极偏置到与阴极相同的电压。
95.根据权利要求63的系统，其中控制电极连接到阴极。
96.根据权利要求63的系统，其中控制电极是偏置电极的一部分。
97.根据权利要求73的设备，其中控制电极偏置到与阴极偏置电压相同的电压。
98.根据权利要求73的设备，其中控制电极连接到阴极。
99.根据权利要求73的设备，其中控制电极是阴极的一部分。
100.根据权利要求78的辐射探测器，其中控制电极具有电压Vc，阴极具有电压Vb，Vc＝Vb。
101.根据权利要求78的辐射探测器，其中控制电极连接到阴极。
102.根据权利要求78的辐射探测器，其中控制电极是阴极的一部分。

Claims (102)

1.一种辐射探测器，包括：
a)具有数个侧面且厚度至少为0.5毫米的半导体；
b)制作在至少一个半导体侧面的偏置电极；
c)制作在至少一个半导体侧面的信号电极；
d)制作在至少一个半导体侧面的至少一个控制电极，将由半导体内部的电离现象产生的电荷云导向信号电极，显著地降低了信号电极上的半导体空穴俘获效应。
其中，辐射探测器可以有效地探测高于20KeV的能量。
2.根据权利要求1的辐射探测器，其中半导体的Z值大于34。
3.根据权利要求1的辐射探测器，其中半导体的电阻率大于107欧姆-厘米。
4.根据权利要求1的辐射探测器，其中信号电极探测输出计数率，探测器包括为改变输出计数率而向控制电极提供可变电压的装置。
5.根据权利要求1的辐射探测器，其中半导体包括CdTe。
6.根据权利要求1的辐射探测器，其中半导体包括CdZnTe。
7.根据权利要求1的辐射探测器，其中信号电极和控制电极处于同一半导体侧面。
8.根据权利要求1的辐射探测器，其中信号电极和控制电极处于不同的半导体侧面。
9.根据权利要求1的辐射探测器，其中偏置电极是至少部分地覆盖半导体第一侧面的阴极。
10.根据权利要求1的辐射探测器，其中偏置电极连接到偏置电压源，其中偏置电极是具有阴极电压Vb的阴极，Vb基本保持在固定值。
11.根据权利要求10的辐射探测器，其中信号电极连接到信号电极电压源，其中信号电极的电压为Va，而Vb-Va由半导体的厚度确定。
12.根据权利要求11的辐射探测器，其中半导体的厚度大约为3毫米，Vb-Va大约为-500伏特。
13.根据权利要求10的辐射探测器，其中信号电极连接到信号电极电压源，其中信号电极是具有阳极电压Va的阳极，Va近似为地电位。
14.根据权利要求10的辐射探测器，其中控制电极连接到控制电极电压源，其中控制电极具有控制电极电压Vc，Vb近似为地电位。
15.根据权利要求10的辐射探测器，其中控制电极连接到控制电极电压源，信号电极连接到信号电极电压源，控制电极具有控制电极电压Vc，信号电极具有电压Va，Vc＜Va。
16.根据权利要求1的辐射探测器，其中控制电极连接到控制电极电压源，信号电极连接到信号电极电压源，控制电极具有控制电极电压Vc，信号电极具有电压Va，Vc＜Va。
17.根据权利要求10的辐射探测器，其中控制电极连接到控制电极电压源，信号电极连接到信号电极电压源，控制电极具有控制电极电压Vc，信号电极具有阳极电压Va，Vc近似等于(Va+Vb)/2。
18.根据权利要求10的辐射探测器，其中控制电极连接到控制电极电压源，控制电极具有控制电极电压Vc，Vc近似等于Vb。
19.根据权利要求1的辐射探测器，其中控制电极连接到恒定电压源。
20.根据权利要求10的辐射探测器，其中控制电极连接到电容器的第一端子，电容器的第二端子连接到地电位。
21.根据权利要求20的辐射探测器，其中信号电极连接到信号电极电压源，信号电极是具有阳极电压Va的阳极，第一阻抗位于偏置电极和控制电极之间，第二阻抗位于控制电极和信号电极之间，电容器和控制电极充电到由Vb-Va确定的电压值。
22.根据权利要求1的辐射探测器，其中偏置电极是具有阴极表面的阴极，信号电极的表面积大大地小于阴极的表面积。
23.根据权利要求22的辐射探测器，其中信号电极是位于与具有阴极的第一侧面相对的半导体表面的阳极。
24.根据权利要求23的辐射探测器，其中控制电极位于相对表面并且环绕阳极。
25.根据权利要求24的辐射探测器，其中控制电极包括环绕阳极、且基本上呈圆形的环。
26.根据权利要求1的辐射探测器，其中偏置电极、信号电极和控制电极均制作在半导体表面。
27.根据权利要求26的辐射探测器，其中偏置电极、信号电极和控制电极均包括金箔。
28.根据权利要求1的辐射探测器，其中偏置电极、信号电极和控制电极中的至少一个掩埋在半导体表面的下面。
29.根据权利要求1的辐射探测器，其中信号电极分割成多个部分。
30.根据权利要求1的辐射探测器，其中控制电极分割成多个部分。
31.根据权利要求1的辐射探测器，其中辐射探测器包括多个控制电极。
32.一种探测电离辐射的辐射探测器，包括：
a)具有数个侧面且响应于电离辐射的半导体；
b)制作在半导体第一侧面的阴极，阴极具有阴极表面，其中阴极连接到阴极电压源，阴极具有阴极电压Vb；
c)制作在半导体第二侧面的阳极，第二侧面与第一侧面相对，并具有一个中心，阳极包括靠近第二侧面中心的触点，其表面积大大地小于阴极表面积，其中阳极连接到阳极电压源，阳极具有阳极电压Va；
d)制作在半导体第二侧面的控制电极，控制电极形成一个环绕阳极的单环，其中控制电极连接到控制电压源，控制电极具有控制电压Vc，Vc＜Va。
33.根据权利要求32的辐射探测器，其中半导体由CdZnTe制作。
34.根据权利要求32的辐射探测器，其中半导体具有一个厚度，Vb-Va依赖于该厚度。
35.根据权利要求34的辐射探测器，其中半导体的厚度大约为3毫米，Vb-Va大约为-400伏特。
36.根据权利要求35的辐射探测器，其中Va近似等于地电位，Vc近似等于-300伏特。
37.根据权利要求32的辐射探测器，其中控制电极连接到恒定电压源。
38.根据权利要求32的辐射探测器，其中控制电极连接到电容器的第一端子，电容器的第二端子连接到地电位。
39.根据权利要求38的辐射探测器，其中第一阻抗位于阴极和控制电极之间，第二阻抗位于控制电极和信号电极之间，电容器和控制电极充电到由该阻抗和Vb-Va确定的电压值。
40.根据权利要求32的辐射探测器，其中阴极、阳极和控制电极中的至少一个制作在半导体表面。
41.根据权利要求40的辐射探测器，其中阴极、阳极和控制电极中的至少一个包括金箔。
42.根据权利要求32的辐射探测器，其中阴极、阳极和控制电极中的至少一个掩埋在半导体表面的下面。
43.根据权利要求32的辐射探测器，其中阳极和控制电极在半导体表面上是隔离的。
44.根据权利要求32的辐射探测器，其中阳极和控制电极由半导体表面上的体材料隔离。
45.根据权利要求32的辐射探测器，其中控制电极是一个圆环。
46.根据权利要求32的辐射探测器，其中控制电极是一个矩形环。
47.一种利用辐射探测器探测辐射源发出的电离辐射的方法，辐射探测器包括具有多个侧面的半导体，半导体包括控制电极、阴极侧面和阳极侧面，阴极侧面具有阴极，阳极侧面具有阳极，该方法包括以下步骤：
a)将辐射探测器放置在辐射源发出的辐射路径内；
b)通过施加在阴极和阳极上的偏置电压，在半导体内部产生电场；
c)通过电离辐射在半导体内部产生电子电荷云以及伴生的空穴云；
d)电场将电子电荷云导向阳极；
e)当距阳极较远时，电荷云感应出的电荷由阳极和控制电极共享，这样，阳极感应出的电荷与控制电极感应出的电荷相比很小；和
f)将电子电荷云在控制电极上感应出的电荷减少至零，阳极上的感应电荷增加到到达阳极的电子电荷云的完全值。
48.根据权利要求47的方法，其中阳极具有阳极尺寸；当电子电荷云位于距阳极的距离近似等于阳极尺寸的范围内时，在阳极上感应出电子电荷云的完全值。
49.根据权利要求47的方法，其中电子电荷云包括多个移动的电子，导引电子电荷云的步骤还包括以下步骤：
a)由电场形成数条导引路径，每条导引路径均具有始端和末端，数条导引路径在始端基本上是相互平行的，并且在靠近末端时转向阳极；和
b)沿着相应的导引路径将多个电子导向阳极。
50.根据权利要求47的方法，还包括步骤：
a)将控制电极偏置到控制电压Vc；
b)将阳极偏置到阳极电压Va；
c)将阴极偏置到阴极电压Vb；和
d)保证Vc的电压值低于Va。
51.根据权利要求47的方法，还包括制作环绕阳极的控制电极的步骤。
52.根据权利要求47的方法，还包括步骤：
a)将控制电极连接到电容器；和
b)将电容器连接到地电位。
53权利要求52的方法，还包括步骤：
a)将阴极偏置到阴极电压Vb；
b)将阳极偏置到阳极电压Va；和
c)将电容器和控制电极充电到由Vb-Va确定的电压值。
54.根据权利要求47的方法，其中半导体包括多个可移动电子，电子电荷云包括至少该多个可移动电子的一部分。
55.根据权利要求47的方法，还包括将阳极分割为数个部分的步骤。
56权利要求47的方法，还包括将控制电极分割为数个部分的步骤。
57.一种探测电离辐射的系统，包括：
a)辐射探测器，包括：
1)具有数个侧面的半导体，
2)制作在半导体阴极侧面的阴极，
3)制作在至少一个非阴极侧面的半导体侧面上的阳极，
4)制作在至少一个非阴极侧面的半导体侧面上的控制电极；和
b)在半导体内部形成电场的装置；
其中，当辐射探测器吸收电离辐射时，电离辐射在半导体内部产生可移动电荷云；
其中，电场将电子电荷云导向阳极；
其中，当电荷云距阳极较远时，电荷云感应出的电荷由阳极和控制电极共享，这样，阳极电荷很小；和
其中，随着电子电荷云靠近阳极，电子电荷云在阳极上感应出的电荷增加。
58.根据权利要求57的系统，其中阳极具有阳极尺寸；形成电场的装置、控制电极和阳极这样配置，使得当电子电荷云到达阳极时，全部的电荷感应在阳极，这一现象几乎完全发生在距阳极的距离近似等于阳极尺寸的范围内。
59.根据权利要求57的系统，其中电子电荷云包括数个可移动电子；形成电场的装置这样配置，使得电场形成数条导引路径，每条导引路径均具有始端和末端，数条导引路径在始端基本上是相互平行的，并且在靠近末端时转向阳极；数个可移动电子沿着相应的导引路径导向阳极。
60.根据权利要求57的系统，其中控制电极环绕阳极。
61.根据权利要求57的系统，其中形成电场的装置包括连接到控制电极和地电位的电容器。
62.根据权利要求61的系统，其中阳极具有电压Va，阴极偏置为阴极电压Vb；其中电容器和控制电极充电到由Vb-Va确定的电压值。
63.一种探测电离辐射的设备，包括：
具有至少三个电极，包括阴极、阳极和控制电极，以及将每个电极偏置到某一电位的装置的半导体，其中在半导体晶体内部产生了电场；
其中，半导体晶体吸收电离辐射时，电荷云在半导体内部产生；
其中，电荷云在半导体内部感应出电荷，电荷由阳极和控制电极共享，直到电荷十分靠近阳极为止。
64.根据权利要求63的设备，其中控制电极的电位低于阳极电位。
65.根据权利要求63的设备，其中半导体由CdZnTe材料制备。
66.根据权利要求63的设备，其中控制电极和阳极制作在同一半导体侧面，控制电极形成一个环绕阳极的环。
67.根据权利要求63的设备，还包括连接到控制电极和地电位的电容器。
68.根据权利要求63的设备，其中阳极制作在一个半导体侧面，电场具有数条电力线，电力线基本上相互平行，并且基本上垂直于形成阳极的侧面，随着电力线接近形成阳极的侧面，电力线向阳极汇聚。
69.根据权利要求68的设备，其中电力线配置得使电荷云导向阳极。
70.根据权利要求63的设备，其中阳极具有阳极尺寸；三个电极这样配置，使得当电荷云处于与阳极的距离基本上等于阳极尺寸的范围内时，控制电极只有极少量的电荷。
71.根据权利要求70的设备，其中三个电极这样配置，使得当电荷云远离阳极一段距离后，阳极上只有少量的电荷。
72.根据权利要求63的设备，其中半导体包括数个可在半导体内部移动的电子；三个电极这样配置，使得电荷云至少包括一些可移动电子。
73.一种探测电离辐射的设备，包括厚度至少为0.5毫米、至少有三个电极的半导体，包括阴极、阳极和控制电极，还包括在半导体内部产生电荷云的电离辐射、制作在半导体上的电极，以及偏置电极以便在半导体内部产生电场的装置，这样电场模式使电离辐射产生的电荷云向阳极聚集，因此显著地降低了阳极上的半导体空穴俘获效应，其中辐射探测器的可探测能量高于20KeV。
74.根据权利要求73的设备，其中控制电极的偏置电压低于阳极偏置电压。
75.根据权利要求73的设备，其中半导体具有数个侧面，控制电极和阳极制作在与制作阴极的侧面相对的半导体侧面，控制电极环绕阳极。
76.根据权利要求73的设备，其中阳极包括触点。
77.根据权利要求73的设备，其中控制电极连接到电容器，电容器连接到地电位，控制电极和电容器充电到由阳极和阴极电压确定的电压值。
78.一种辐射探测器阵列，包括：
a)具有数个侧面、厚度至少为0.5毫米的半导体；
b)制作在至少一个半导体侧面的阴极；
c)制作在至少一个半导体侧面的阳极阵列；和
d)制作在至少一个半导体侧面的控制电极图形，用于将半导体内部的电离现象产生的电荷云导向各自的阳极，并显著地降低阳极阵列上的半导体空穴俘获效应，控制电极图形配置得使之可以影响阳极阵列中的各个阳极，
其中，辐射探测器可有效探测的能量高于20KeV。
79.根据权利要求78的辐射探测器，其中控制电极图形包括网格图形。
80.根据权利要求78的辐射探测器，其中各个阳极由控制电极图形的相应部分环绕；各个阳极和相应的部分构成一个象素。
81.根据权利要求78的辐射探测器，其中阳极阵列中的至少部分阳极在电气上相连。
82.根据权利要求18的辐射探测器，其中Vc＝Vb。
83权利要求18的辐射探测器，其中控制电极连接到偏置电极。
84.根据权利要求18的辐射探测器，其中控制电极是偏置电极的一部分。
85.根据权利要求32的辐射探测器，其中Vc＝Vb。
86.根据权利要求32的辐射探测器，其中控制电极连接到偏置电极。
87.根据权利要求32的辐射探测器，其中控制电极是偏置电极的一部分。
88.根据权利要求50的方法，包括偏置阴极和控制电极的步骤，使得Vc＝Vb。
89.根据权利要求49的方法，其中控制电极连接到偏置电极。
90.根据权利要求49的方法，其中控制电极是偏置电极的一部分。
91.根据权利要求62的系统，其中控制电极具有电压Vc，Vc＝Vb。
92.根据权利要求57的系统，其中控制电极连接到阴极。
93.根据权利要求57的系统，其中控制电极是阴极的一部分。
94.根据权利要求63的系统，其中控制电极偏置到与阴极相同的电压。
95.根据权利要求63的系统，其中控制电极连接到阴极。
96.根据权利要求63的系统，其中控制电极是偏置电极的一部分。
97.根据权利要求73的设备，其中控制电极偏置到与阴极偏置电压相同的电压。
98.根据权利要求73的设备，其中控制电极连接到阴极。
99.根据权利要求73的设备，其中控制电极是阴极的一部分。
100.根据权利要求78的辐射探测器，其中控制电极具有电压Vc，阴极具有电压Vb，Vc＝Vb。
101.根据权利要求78的辐射探测器，其中控制电极连接到阴极。
102.根据权利要求78的辐射探测器，其中控制电极是阴极的一部分。
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