CN1257312A - 放射线检测装置 - Google Patents
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Abstract
一种具有增大的检测面积和改进的放射线检测灵敏度的放射线检测装置,包括一个由具有高电阻率的n－型非晶或多晶半导体构成的半导体层,其中空穴的μτ乘积(迁移率×平均寿命)大于电子的μτ乘积。在半导体的一个表面上形成一个表面电极,对其提供一个负的偏压,在另外的一个表面上形成一个载流子收集电极。在半导体层的表面电极一侧上提供一个电子注入阻止结构,并在载流子收集电极一侧上提供一个空穴注入允许结构。
Description
本发明涉及一种用于医疗、工业、原子核和其他领域中的直接转换型的放射线检测装置，更具体的涉及一种改进放射线检测灵敏度的技术。
使用半导体检测器的放射线检测装置包含一个非直接转换型装置，其首先将放射线(例如X射线)转换为光，然后通过光电转换将光转换为电信号，和直接转换型装置，其使用放射线感应半导体层将入射的放射线直接转换为电信号。直接转换型装置在放射线感应半导体层的两相对的表面上形成有电极。将预定的电压提供给其中的一个电极(电压应用电极)。另外的一个电极(载流子收集电极)收集由入射放射线产生的载流子。载流子被作为放射线检测信号取出，从而可对放射线进行检测。
传统的直接转换型放射线检测装置使用单晶半导体作为用于半导体层的材料。由于单晶半导体与具有大量局部能级和晶界的非晶或多晶半导体相比具有优异的载流子传输特性，从而其被使用。传统的具有单晶半导体的优异的载流子传输特性的放射线检测装置被用做放射线能量检测器或放射线脉冲计数器。
由于只有入射的放射线产生的载流子被作为信号取出，传统的放射线检测装置需要在两相对侧面上用于阻止从电极注入载流子的结构。因此，传统的装置具有下面的特定的结构。
如图1中所示，传统的装置包含高电阻率的单晶半导体层51，通过对其掺入杂质而使其一个侧面成为P-型而另外一个侧面成为n-型。在半导体层51的两相对侧面上形成结构52和结构53以分别阻止电子e和空穴h的注入。另外，入图2中所示，传统的装置还可包含一个相对低电阻率的n-型(或P-型)单晶半导体层61，通过对其掺入杂质而使其一个侧面成为P-型(或n-型)或具有结构62的形式，即在一个侧面上具有一个阻挡金属电极用于阻止电子e(或空穴h)的注入。另一侧面通过可通过晶体自身的导电性防止空穴(或电子e)的注入。在图1和图2中，左面的电极作为偏压应用电极，而右面的电极作为载流子收集电极。
然而，传统的放射线检测装置具有一个缺点，即其无法满足增大的检测面积的需要。在医疗、工业、原子和其他的各个领域中，对具有大面积和高灵敏度的半导体型放射线检测装置具有很大的需求，以获得高速、高灵敏度和小巧的放射线检测系统。在当前的条件下，3-英寸直径为用于放射线检测的单晶半导体材料的极限。很难获得具有大面积和高灵敏度的半导体型放射线检测装置。
对于非晶或多晶半导体，另一方面，通过使用薄膜制造技术可获得1000平方厘米和更大的面积。然而，由于存在局部能级和晶界从而灵敏度不足。同时，很难获得具有大面积和高灵敏度的半导体型放射线检测装置。
本发明已经注意到现有技术中的上述的问题，其目的是提供一种具有大面积和高灵敏度的半导体型放射线检测装置。
根据本发明的第一方面是通过用于将入射放射线转化为电子信号的放射线装置实现上述的目的，该装置包括：
用于响应入射放射线产生电子-空穴对形式的载流子的放射线感应半导体层；
一对分别形成在半导体层的相对表面上的电极，其中的一个电极为电压应用电极，对其施加负偏压，另外一个电极为载流子收集电极；
一个与载流子收集电极相连的用于存储由在半导体层中的载流子的移动所产生的电荷的电荷存储电容器；
一个与电容器相连的开关元件，该开关元件用于在电容器中积累电荷时被断开，而在当电容器放电时被接通；及
电荷-电压转换装置，用于将通过开关器件从电容器中取出的电荷转化为作为放射线检测信号的电压信号；
其中半导体层由n-型非晶半导体和n-型多晶半导体中的一种构成，二者均为高电阻率，具有空穴的μτ乘积大于电子的μτ乘积，μτ乘积为由入射放射线产生的电子和空穴的迁移率μ和平均寿命τ的乘积；及
其中半导体层具有一个形成在电压应用电极侧上的用于阻止电子注入的结构，和形成在载流子收集电极侧上的用于允许注入空穴的结构。
图3中所示的本发明的第一方面的放射线检测装置包含由n-型非晶或多晶高电阻率的半导体构成的放射线感应半导体层1A，其中在所产生的载流子中空穴h的μτ乘积大于电子e的μτ乘积。当通过检测装置检测放射线时，半导体层1A中的作为少数载流子的空穴h对放射线检测有贡献。从偏压源Ve向半导体层1A的一个电极侧提供负偏压-VA。接着，迅速从形成在半导体层1A的载流子收集电极侧上的空穴注入允许结构3A注入空穴h，注入量对应于由入射放射线所产生的载流子的量。半导体层1A具有高电阻率，从而半导体层1A的电导性不会阻止空穴h的注入。另一方面，通过形成在半导体层1A的电压应用电极侧上的电子注入阻止结构2A阻止电子e的注入。
在现有技术中，同时阻止空穴h和电子e的注入。本发明的第一方面只阻止对提高灵敏度不起作用的作为大多数载流子的电子e的注入。而允许注入对提高灵敏度有贡献的空穴h，以将灵敏度提高对应于空穴h的增加的程度。所注入的空穴h在半导体层1A中为少数载流子，因此可抑制暗电流的增加。自然，由于半导体层1A由非晶或多晶半导体材料构成，从而可增大检测面积。
在断开开关元件4时，在电荷存储电容器Ca中累积由空穴h的移动所产生的电荷。当接通开关元件4时，所存储的电荷被从电荷-电压转换器5作为充当放射线检测信号的电压信号读出。因此，在电容器Ca中累积电荷时，甚至在非-信号读出期间，也不会中断检测操作，其就敏感度而言存在优势。此外，在多沟道结构的情况下，用于读出检测信号的电荷-电压转换装置5可被设计成可被切换的与多个电容器相连，从而可减少所需的电荷-电压转换器的数量。
接着，将对本发明的第一方面的放射线检测装置的检测灵敏度进行量上的描述。
当施加电场E和向半导体层1入射放射线(X射线)时流过的电流i表示为i＝Δi+iD(其中Δi为信号电流部分，而iD为暗电流部分)，其中的半导体层1的截面积为S而厚度对应于电极间的距离d。通过下面的方程(1)表示信号电流部分Δi：
Δi＝qΔn·μES＝q(Δneμe+Δnhhμ)ES (1)
其中Δn表示增加的载流子，μE表示载流子的迁移速度，Δne为增加的电子数，Δnh为增加的空穴数，而q为电量。
另一方面，在每单位体积和每单位时间所产生的载流子的量为g(每立方厘米每秒)时，由于假设放射线稳定(dg/dt＝0)，Δn的时间流逝的变化表示为dΔn(t)/dt＝g-Δn(t)/τ(其中τ为载流子的平均寿命)。通过解此方程可得到Δn(t)＝gτ[1-exp(-t/τ)]。其中t》τ，Δn(t)＝gτ，并可获得下面的方程：
Δne＝geτe (2)
Δnh＝ghτh (3)
由于ge＝gh＝g，将上面的方程带入方程(1)可获得方程(4)：
Δi＝qgES(μeτe+μhτh)
＝qgdS(μeτeE/d)+(μhτh E/d) (4)
另外，由于这里阻止电子e的注入，方程(4)变为方程(5)：
Δi＝qgdS(μhτhE)/d (5)
在此情况下，由于μeτe《μhτh，Δi的值基本上不变。
通过对比，在传统的放射线检测装置中，由于方程(2)和(3)中的ge和gh可用下面的Hecht’s方程(6)和(7)替代，上面的方程(4)变为方程(8)：
ge＝ge{1-exp[-(d-r)/μeτeE]} (6)
gh＝gh{1-exp[-r/μhτh E]} (7)
Δi＝qdS{ge[1-exp[-(d-r)/μeτeE]](μeτeE/d)+gh[1-exp[-r/μhτhE]](μhτhE/d)} (8)
另外，方程(8)中的{}中的表达式在E增大时变为[ge(d-r)+ghr]/d。此值等于g，因此，方程(8)最后变为方程(9)
ΔiMAX＝qgdS (9)
从方程(9)可看出，在传统的(非注入型)放射线检测装置中，信号不依赖于电场E，但依赖于g或所产生的载流子。
通过将本发明的第一方面的方程(5)与现有技术的方程(9)进行比较，可看出，在本发明的第一方面中，Δi增大了(μhτhE)/d倍。上升的比率与电场E成正比，电场E＝偏压/电极间的距离。结果，随着偏压的增大，灵敏度会提高。
在本发明的第二方面中，所提供的用于将入射放射线转化为电信号的放射线检测装置包含：
用于响应入射放射线产生电子-空穴对形式的载流子的放射线感应半导体层；
一对分别形成在半导体层的相对表面上的电极，其中的一个电极为电压应用电极，对其施加正偏压，另外一个电极为载流子收集电极；
一个与载流子收集电极相连的用于存储由半导体层的载流子的移动所产生的电荷的电荷存储电容器；
一个与电容器相连的开关元件，该开关元件用于在电容器中积累电荷时被断开，而在当电容器放电时被接通；及
电荷-电压转换装置，用于将通过开关器件从电容器中取出的电荷转化为作为放射线检测信号的电压信号；
其中半导体层由n-型非晶半导体和n-型多晶半导体中的一个构成，二者均为高电阻率，具有空穴的μτ乘积大于电子的μτ乘积，μτ乘积为由入射放射线产生的电子和空穴的迁移率μ和平均寿命τ的乘积；及
其中半导体层具有一个形成在电压应用电极侧上的用于允许空穴注入的结构，和形成在载流子收集电极侧上的用于阻止电子的注入的结构。
根据如图4中所示的本发明的第二方面的放射线检测装置，从偏压源Ve向半导体层1B的一个电极侧提供正偏压+VA。半导体层1B具有一个形成在电压应用电极侧上的空穴注入允许结构2B，和一个形成在载流子收集电极侧上的电子注入阻止结构3B。此装置的功能与本发明的第一方面的类似，区别在于注入空穴的方向相反。因此，对其他的细节将不再讨论。
在本发明的第三方面中，所提供的用于将入射放射线转化为电信号的放射线检测装置包含：
用于响应入射放射线产生电子-空穴对形式的载流子的放射线感应半导体层；
一对分别形成在半导体层的相对表面上的电极，其中的一个电极为电压应用电极，对其施加负偏压，另外一个电极为载流子收集电极；
一个与载流子收集电极相连的用于存储由在半导体层中的载流子的移动所产生的电荷的电荷存储电容器；
一个与电容器相连的开关元件，该开关元件用于在电容器中积累电荷时被断开，而在当电容器放电时被接通；及
电荷-电压转换装置，用于将通过开关器件从电容器中取出的电荷转化为作为放射线检测信号的电压信号；
其中半导体层由p-型非晶半导体和p-型多晶半导体中的一个构成，二者均为高电阻率，具有电子的μτ乘积大于空穴的μτ乘积，μτ乘积为由入射放射线产生的电子和空穴的迁移率μ和平均寿命τ的乘积；及
其中半导体层具有一个形成在电压应用电极侧上的用于允许电子注入的结构，和形成在载流子收集电极侧上的用于阻止空穴注入的结构。
根据图5中所示的本发明第三方面的放射线检测装置，放射线感应半导体层1C由高电阻率的p-型非晶或多晶半导体构成，在所产生的载流子中，电子e的μτ乘积大于空穴的μτ乘积。在半导体层中1C作为少数载流子的电子e对放射线检测有贡献。将负偏压VA从偏压源Ve提供到半导体层1C的一个电极侧。电子e迅速从形成在半导体层1C上的电子应用电极侧上的电子注入允许结构2C注入，其量对应于通过入射放射线所产生的载流子的量。另一方面，半导体层1C具有形成在电压应用电极侧上的空穴阻止结构3C。因此，空穴h不被注入，而只注入电子e。
由于这里阻止空穴h的注入，上述的方程(5)变为下面的方程(10)：
Δi＝qgdS(μeτeE)/d (10)
由于μhτh《μeτe，Δi的值自然很难改变。由于Δi增加了(μeτeE)/d倍，从而灵敏度增加。
此装置的功能与本发明的第一方面的相同。因此，对其他的细节不再讨论。
在本发明的第四方面中，所提供的用于将入射放射线转化为电信号的放射线检测装置包含：
用于响应入射放射线产生电子-空穴对形式的载流子的放射线感应半导体层；
一对分别形成在半导体层的相对表面上的电极，其中的一个电极为电压应用电极，对其施加正偏压，另外一个电极为载流子收集电极；
一个与载流子收集电极相连的用于存储由半导体层的载流子的移动所产生的电荷的电荷存储电容器；
一个与电容器相连的开关元件，该开关元件用于在电容器中积累电荷时被断开，而在当电容器放电时被接通；及
电荷-电压转换装置，用于将通过开关器件从电容器中取出的电荷转化为作为放射线检测信号的电压信号；
其中半导体层由p-型非晶半导体和p-型多晶半导体中的一个构成，二者均为高电阻率，电子的μτ乘积大于空穴的μτ乘积，μτ乘积为由入射放射线产生的电子和空穴的迁移率μ和平均寿命τ的乘积；及
其中半导体层具有一个形成在电压应用电极侧上的用于阻止空穴注入的结构，和形成在载流子收集电极侧上的用于允许电子注入的结构。
根据图6中所示的本发明的第四方面的放射线检测装置，将正偏压+VA从偏压源Ve提供到半导体层1D的一个电极侧上。半导体层1D具有形成在载流子收集电极侧上的电子注入允许结构3D，及形成在电压应用电极侧上的空穴注入阻止结构2D。此装置的作用与本发明的第三实施例中的类似，区别在于用于注入电子e的方向相反。因此，对其他的细节不再进行描述。
在本发明的第一到第四方面的放射线检测装置中，被提供到电压应用电极上的偏压值最好是在偏压的绝对值|VA|为|VA|＞d2/μτL的范围内，其中d为电极间的距离，而μτL为载流子的μτ乘积的大的一个。
通过如上所设置的偏压，方程(5)或(10)中的Δi大于方程(9)中的Δi，从而能够可靠的进行高灵敏度的放射线检测工作。
为了描述本发明的目的，在图中示出了当前最好的几个形式，需明确，本发明并不限于所示出的结构和装置。
图1为传统的放射线检测装置的主要部分的基本结构的示意图；
图2为另外一个传统的放射线检测装置的主要部分的基本结构的示意图；
图3为根据本发明的第一方面的放射线检测装置的主要部分的基本结构的示意图；
图4为根据本发明的第二方面的放射线检测装置的主要部分的基本结构的示意图；
图5为根据本发明的第三方面的放射线检测装置的主要部分的基本结构的示意图；
图6为根据本发明的第四方面的放射线检测装置的主要部分的基本结构的示意图；
图7为第一实施例中的放射线感应器的截面示意图；
图8为第一实施例中的放射线感应器的基本电路图；
图9为第一实施例中的放射线感应器的结构平面示意图；
图10为第二实施例中的放射线感应器的结构平面示意图；
图11为第三实施例中的放射线感应器的结构平面示意图；
图12为第四实施例中的放射线感应器的结构平面示意图；
图13为第五实施例中的放射线感应器的结构平面示意图；
图14为第六实施例中的放射线感应器的结构平面示意图；
图15为第七实施例中的放射线感应器的结构平面示意图。
下面将参考附图对本发明的最佳实施例进行详细描述。
第一实施例
图3为第一实施例中的(根据本发明的第一方面的实施例)放射线检测装置的主要部分的基本结构示意图。图7为第一实施例中的放射线感应器的截面示意图。图8为第一实施例中的放射线感应器的基本电路图。图9为第一实施例中的放射线感应器的结构平面示意图。
如图3和7中所示，本发明的第一实施例中的放射线检测装置包含一个放射线感应器，具有用于响应入射放射线产生载流子的放射线感应半导体层1A；一个设置在半导体层1A的放射线入射侧上的表面电极(电压应用电极)2a；设置在半导体层1A的放射线非入射侧(与放射线入射侧相对)上的载流子收集电极3a；用于存储有半导体层1A中的载流子的移动所产生的电荷的电荷存储电容器Ca；和作为开关元件4的薄膜晶体管(TFT)，其通常在为了获得存储在电容器Ca中的电荷时而被断开(非-导电)。第一实施例中的装置还包含一个用于向表面电极2a提供负偏压-VA的偏压源(电源)Ve。由入射放射线产生的载流子和注入的载流子通过提供到表面电极2a上的偏压而移向电极3a，从而电荷积累在电容器Ca中。在读取时，开关元件4被接通(连接)，从而电荷被读出并被发送到电荷-电压转换器(前置放大器)5，以将其转换为作为电压信号的入射检测信号。下面将对具体的元件进行描述。
在第一实施例的装置中，半导体层1A由空穴的μτ乘积大于电子的μτ乘积的高电阻率的n-型非晶半导体构成。此种类型的非晶半导体包含例如未掺杂杂质的非-掺杂非晶硒(a-Se)，和掺有诸如Na的碱金属的碱-掺杂非晶硒。如在此所用的，短语“未掺杂杂质的”是指没有专门给出杂质掺杂处理。高电阻率的所需的数值范围为109欧姆厘米或更高，最好为1011欧姆厘米或更高。自然，非晶半导体为可实现增大的检测面积的半导体材料。
可形成n-型半导体的肖特基结的诸如Au、Pt或类似的金属可被作为用于表面电极的金属。诸如ITO(铟锡氧化物)，Ti，Ni或类似的可形成n-型半导体的电阻结的金属可作为载流子收集电极3a。即，在第一实施例中，形成在半导体层1A和表面电极2a之间的肖特基结构成电压应用电极侧上的电子注入阻止结构2A。形成在半导体层1A和载流子收集电极3a之间的电阻结构成载流子收集电极侧上的空穴注入允许结构3A。自然，用于形成电极的非晶半导体和金属并不限于上述的金属。
如图7和图9所示，除了半导体层1A和电极2a和3a外，第一实施例中的放射线感应器的所包含作为开关元件的的FET型薄膜晶体管和电荷存储电容器Ca都形成在一个绝缘基片6上。电容器Ca为SiO2层或类似的形式。绝缘基片6为玻璃基片或类似的形式。
另外，第一实施例中的装置的放射线感应器为具有大量的沿X-和Y-方向设置的检测元件DU(即1024×1024)的面检测器形式。图3示出了基本结构的检测元件DU。如图7和图9中所示，形成作为所有的检测元件DU的公共电极的表面电极2a。对各个检测元件DU单独形成作为单个电极的载流子收集电极3a。对各个检测元件DU同样形成一个开关元件4和电容器Ca。
在图9中所示的第一实施例中的放射线感应器中，检测元件DU的开关元件(薄膜晶体管)4具有与水平(X)方向排列的感应线7相连的源极，与竖直(Y)方向排列的感应线8相连的栅极。感应线7通过一组电荷-电压转换器(一组前置放大器)9与多路复用器10相连。感应线8与栅驱动器11相连。在电荷-电压转换器组9中，如3中所示的一个电荷-电压转换器4与每个感应线7相连。
在第一实施例的放射线检测器中，用于读取信号的扫描信号被输入到多路复用器10和栅驱动器11中。放射线检测器的检测元件DU凭借沿X和Y-轴顺序定位的检测元件DU的地址(即0到1023)进行识别。因此，读取扫描信号充当在X方向或Y方向上指定地址的作用。
响应Y-方向的扫描信号，栅驱动器11将一个读取电压提供到设置在Y-方向的感应线8。然后，按列选择检测元件DU。当通过X-方向的扫描信号切换多路复用器10时，存储在所选列中的检测元件DU的电容器Ca中的电荷被通过电荷-电压转换器9和多路复用器10连续输出。
在第一实施例中的放射线检测装置被用做荧光X-射线装置的X-射线检测器时，例如，检测元件DU的检测信号被从多路复用器10连续取出作为像素信号。然后，如图9中的点划线中所示，图像处理器DT进行包含噪声处理的所需信号的处理过程，图像显示器MT显示两维图像(荧光图像)。
因此，第一实施例中的放射线检测器的检测信号读取模式从广义上说类似于诸如TV相机的普通的图像装置。
在第一实施例中，如需要，放射线感应器除了电荷-电压转换器组9、多路复用器10和栅驱动器11外可包含一个模数转换器(未示出)，以提高集成结构。然而，电荷-电压转换器9，多路复用器10，栅驱动器11和模数转换器可总成或单独的安装。
在制造第一实施例中的放射线感应器的过程中，通过依据光刻方法的真空淀积方法或图形形成技术中的一种方法，使用薄膜形成技术在绝缘基片6的表面上顺序叠加用于开关元件4的薄膜晶体管、电容器Ca、载流子收集电极3a、半导体层1A和表面电极2a。
另一方面，通过所构成的偏压源Ve将作为偏压的负极偏压提供到表面电极2a，在所产生的载流子中，电压将空穴从放射线非-入射侧移向放射线入射侧。偏压源Ve可为一个固定的电源用于不变的只输出一个特定的电压，或可为一个可变电源，用于可变的输出电压。
在此情况下，对放射线检测作出贡献的空穴被以对应于通过入射放射线所产生的载流子的量从载流子收集电极3a注入。这将导致检测信号与偏压成比例的增加(μhτhE)/d倍，以使检测灵敏度有实质的提高。此空穴h为半导体层1A中的少数的载流子，因此，在其中产生较少的暗电流。
在第一实施例的放射线检测装置中，电极间的距离为(即半导体层1A的厚度)可为0.07cm，半导体层1A可由a-Se构成，空穴的μτ乘积为10-6cm2/V，而电子的μτ乘积为10-7m2/V。然后，在|-VA|＞4900范围中的偏压导致(μhτhE)/d＞1的结果，从而保证高灵敏度的放射线检测。
此外，即使在信号读取周期以外的情况下，在第一实施例中的装置中检测操作无间断的根据累积在电容器Ca中的电荷h连续进行。这对灵敏度有利。在第一实施例中的多沟道结构中，用于读取的每个电荷-电压转换装置的结构使得其可被切换的与多个电容器Ca相连。因此，可减少电荷-电压转换器的数目，由此可使结构小巧。即，根据本发明的放射线检测装置可适合用于高灵敏度的多沟道型。
第二实施例
下面将描述本发明的第二实施例(根据本发明的第一方面的另外一个实施例)。图10为第二实施例中的放射线感应器的截面示意图。
如图10中所示，第二实施例中的放射线检测装置包含形成在表面电极2a和半导体层1A之间的低电阻率的半导体膜或有机膜的p-型层1a。半导体层1A和p-型层1a之间的PN结构成电压应用电极侧上的电子注入阻止结构2A。因此，不需要由提供肖特基结的材料构成表面电极2a。用于形成p-型层的低电阻率的半导体膜可为Sb2Te3，Sb2S3或ZnTe。有机膜可为多碳化物或混有空穴转移剂的类似物质。
其他的细节和作用都与前面描述的第一实施例中的相同，这里对其不再描述。
第三实施例
下面将描述本发明的第三实施例(根据本发明的第一方面的另外一个实施例)。图11为第三实施例中的放射线感应器的截面示意图。
如图11中所示，第三实施例中的放射线感应器包含形成在半导体层1A和载流子收集电极3a之间的载流子选择注入层1b。在第三实施例的装置中，载流子选择注入层由p-型半导体或有机膜构成，其与和具有较小μτ乘积的电子相比具有较大的μτ乘积的空穴一起被注入。此p-型半导体可为但并不限于Sb2S3，ZnTe或类似的物质。
在第三实施例的装置中，设置在半导体层1A下面的载流子选择注入层1b构成空穴注入允许结构3A。因此，载流子收集电极3a不需要形成电阻结，但可形成肖特基结。此特征可提供另外一种好处，即可从宽范围的材料中选择载流子收集电极3。结构的其他的细节都与第一实施例中的相同，这里不再描述。
第四实施例
下面将描述本发明的第四实施例(根据本发明的第二方面的实施例)。图4为第四实施例中的放射线检测装置的主要部分的基本结构的示意图。图12为第四实施例中的放射线感应器的截面示意图。
在图12中所示的第四实施例的放射线检测装置中，向表面电极2b提供正偏压+VA。载流子收集电极3b由诸如ITO、Ti或Ni等金属构成。此外，在半导体层1B(即未掺杂杂质的非-掺杂非晶硒或掺杂有诸如Na的碱金属的碱-掺杂非晶硒)和载流子收集电极3b之间形成抵电阻率的半导体膜或有机膜的p-型层1c。表面电极2b由ITO、Ti、Ni或类似的物质构成，其形成n-型半导体的电阻结。P-型层1c的低电阻率的半导体膜可为Sb2Te3，Sb2S3或ZnTe等金属。有机膜可为多碳化物或类似的混有空穴转移剂的物质。因此，在半导体层1B和p-型层1c之间的PN结构成载流子收集电极侧上的电子注入阻止结构3B。半导体层1B和表面电极2b间的电阻结在电压应用电极侧上提供一个空穴注入允许结构2B。结果，以与第一实施例中相反的方向注入空穴h。其他的结构和细节都与第一实施例中的相同，这里不再描述。
在第四实施例中，由形成n-型半导体的肖特基结的Au，Pt或类似的金属构成载流子收集电极3b，从而可省去p-型层1c。然而，这通常是不需要的，因为在诸如Au，Pt等中金属的情况下，金属原子会渗透进构成下面的开关元件4的薄膜晶体管中，从而会使其性质降低。此空穴注入允许装置可以是形成在半导体层1B和表面电极2b之间的低电阻率的半导体膜的或有机膜的p-型层形式。
第五实施例
接着将描述第五实施例(根据本发明的第三方面的实施例)。图5为第五实施例中的放射线检测装置中的主要部分的基本结构的示意图。图13为第五实施例中的放射线感应器的截面示意图。
如图5和13中所示，第五实施例中的放射线检测装置包含用于响应入射放射线产生载流子的放射线感应半导体层1C。层1C由电子的μτ乘积大于空穴的μτ乘积的高电阻率的p-型多晶半导体构成。此具有大的检测面积的多晶半导体并不限于特定的类型，但可为诸如CdZnTe等的化合物。表面电极2c是由与p-型半导体形成电阻结的诸如Au或Pt等金属构成。载流子收集电极3c由与p-型半导体形成肖特基结的ITO或Ti等金属构成。自然，多晶半导体和用于形成电极的金属并不限于上面提到的材料。
另一方面，通过所构成的偏压源Ve将作为偏压的负极偏压提供到表面电极2c，在所产生的载流子中，电压将电子从放射线入射侧移向放射线非-入射侧。
因此，在第五实施例的装置中，对放射线检测有贡献的为电子e。形成在半导体层1C和表面电极2c之间的电阻结构成电压应用电极侧上的电子注入允许结构2C。形成在半导体层1C和载流子收集电极3c之间的肖特基结构成载流子收集电极侧上的空穴注入阻止结构3C。
在此情况下，对放射线检测作出贡献的电子e被以对应于通过入射放射线所产生的载流子的量从表面电极2c注入。这将导致检测信号与偏压成比例的增加(μeτeE)/d倍，以使检测灵敏度有实质的提高。此电子e为半导体层1C中的少数的载流子，因此，在其中产生较少的暗电流。在第五实施例的放射线检测装置中，电极间的距离为(即半导体层1C的厚度)可为0.03cm，半导体层1C可由CdZnTe构成，电子的μτ乘积为10-5cm2/V，而空穴的μτ乘积为10-6cm2/V。然后，|-VA|＞90伏的偏压导致(μeτeE)/d＞1的结果，从而保证高灵敏度的放射线检测。
在此实施例中，设置在半导体层1C的电压应用电极侧上的电子注入允许结构可为形成在半导体层1C和电压应用电极(表面电极2C)之间的低电阻率的半导体层的n-型层或有机膜的形式。
设置在半导体层1C的载流子收集电极侧上的空穴注入阻止结构可为形成在半导体层1C和载流子收集电极3C之间的低电阻率的半导体膜的n-型层或有机膜的n-型层形式。
其他的结构细节和作用都与第一实施例中的相同，这里不再描述。
第六实施例
下面将描述第六实施例(根据本发明的第四方面的实施例)。图6为第六实施例中的放射线检测装置的主要部分的基本结构的示意图。图14为第六实施例中的放射线感应器的截面示意图。
在第六实施例中的放射线检测装置中，如图6和14中所示，将正偏压+VA提供到表面电极2b。表面电极2b和载流子收集电极3b都是由与p-型半导体层1D形成肖特基结的诸如ITO，Ti或类似的金属构成。P-型半导体层1D与第五实施例中示出的类似，并由诸如CdZnTe等半导体的化合物构成。
在第六实施例中，以与形成在半导体层1D和表面电极2d之间的肖特基结相反的方向提供偏压，以在电压应用电极侧上形成空穴注入阻止结构2D。以与形成在半导体层1D和载流子收集电极2d之间的肖特基结同向的方向提供偏压以在载流子收集电极侧上形成电子注入允许结构3D。
电子注入允许结构3D可以是形成在半导体层1D和载流子收集电极3d之间的低电阻率的有机膜的或半导体膜的n-型层的形式。
在第六实施例中，载流子收集电极3b可由与p-型半导体形成电阻结的Au，Pt或类似的金属构成。然而，这通常是不需要的，因为在诸如Au或Pt的重金属的情况下，金属原子可渗入构成下面的开关元件4的薄膜晶体管中，从而使其性能降低。
其他的结构细节和作用都与第一实施例中的相同，这里不再进行描述。
第七实施例
下面将描述第七实施例(根据本发明的第四方面的另外一个实施例)。图15为第七实施例中的放射线感应器的截面示意图。
如图15中所示，第七实施例中的放射线检测装置包含一个形成在表面电极2d和p-型半导体层1D之间的低电阻率的有机膜的或半导体膜的n-型层1d。P-型半导体层1D与第五和第六实施例中示出的相同。以与形成在半导体层1D和n-型层1d之间的PN结相反的方向提供偏压以在电压应用电极侧上提供空穴注入阻止结构2D。表面电极2d不需要由提供肖特基结的材料构成。用于形成n-型层1d的低电阻率的半导体膜可为CdS或CeO2。有机膜可为多碳化物或类似的混有电子转移剂的物质。结构和功能的其他的细节都与第一实施例中的相同，这里不再描述。
本发明并不限于上述的实施例，可做如下的修改：(1)在第五到第七实施例中，化合物半导体可为CdZnTe。然而，CdTe和PbI2可被用做化合物半导体。同样可使用掺杂有诸如Cl的卤素的掺卤素非晶硒。(2)在上述的实施例中，表面电极和载流子收集电极由金属构成。另外，在适当的情况下，可使用诸如CdS和CeO2的n-型半导体和诸如Sb2Te3的p-型半导体。(3)在第一到第四实施例中的放射线检测装置包括以矩阵形式设置有多个检测元件DU的面检测器。可将此结构修改为包含一个线检测器，其具有多个竖直或水平以单列或单行设置的多个检测元件DU，或只包含一个检测元件DU。(4)根据本发明的通过放射线检测装置进行的放射线检测不限于X射线。此装置可适用所有的放射线类型。
在不脱离本发明的实质的情况下本发明可有其他的具体形式，本发明的范围只由所附的权利要求进行限定。
Claims (33)
1.用于将入射放射线转化为电子信号的放射线装置，其中包含：
用于响应入射放射线产生电子-空穴对形式的载流子的放射线感应半导体层；
一对分别形成在所述半导体层的相对表面上的电极，其中的一个所述电极为电压应用电极，对其施加负偏压，另外一个电极为载流子收集电极；
一个与所述载流子收集电极相连的用于存储由在所述半导体层中载流子的移动所产生的电荷的电荷存储电容器；
一个与所述电容器相连的开关元件，所述开关元件用于在所述电容器中积累电荷时被断开，而在所述当电容器放电时被接通；及
电荷-电压转换装置，用于将通过所述开关器件从所述电容器中取出的电荷转化为用作放射线检测信号的电压信号；
其中所述半导体层由一个n-型非晶半导体和一个n-型多晶半导体构成，二者均为高电阻率，空穴的μτ乘积大于电子的μτ乘积，μτ乘积为由入射放射线产生的电子和空穴的迁移率μ和平均寿命τ的乘积；及
其中所述半导体层具有一个形成在电压应用电极侧上的用于阻止电子注入的结构，和形成在载流子收集电极侧上的用于允许注入空穴的结构。
2.根据权利要求1所述的放射线检测装置，其特征在于被提供到所述电压应用电极上的偏压位于偏压的绝对值|VA|为|VA|＞d2/μτL的范围内，其中d为电极间的距离，而μτL为载流子的μτ乘积的较大的一个。
3.根据权利要求1所述的放射线检测装置，其特征在于所述半导体层由未掺杂杂质的非掺杂非晶硒和掺杂有碱金属的碱-掺杂非晶硒中的一种构成。
4.根据权利要求1所述的放射线检测装置，其特征在于所述用于阻止电子注入的结构包含形成在所述半导体层和所述电压应用电极之间的肖特基结。
5.根据权利要求1所述的放射线检测装置，其特征在于所述用于阻止电子注入的结构包含半导体膜和有机膜中的一种的一p-型层，二者都为低电阻率，形成在所述半导体层和所述电压应用电极之间。
6.根据权利要求1所述的放射线检测装置，其特征在于所述用于允许注入空穴的结构包含形成在所述半导体层和所述载流子收集电极之间的电阻结。
7.根据权利要求1所述的放射线检测装置，其特征在于所述用于允许空穴注入的结构包含要用于注入空穴而不是电子的p-型有机膜和p-型半导体膜中的一种的载流子选择注入层，其形成在所述半导体层和所述载流子收集电极之间。
8.根据权利要求1所述的放射线检测装置，其特征在于所述装置包含多个二维结构的检测元件，每个至少具有所述的半导体层，所述电压应用电极，所述载流子收集电极，所述电荷存储电容器和所述开关元件。
9.用于将入射放射线转化为电信号的放射线检测装置，其中包含：
用于响应入射放射线产生电子-空穴对形式的载流子的放射线感应半导体层；
一对分别形成在所述半导体层的相对表面上的电极，其中的一个所述电极为电压应用电极，对其施加正偏压，另外一个电极为载流子收集电极；
一个与所述载流子收集电极相连的用于存储由在所述半导体层中载流子的移动所产生的电荷的电荷存储电容器；
一个与所述电容器相连的开关元件，所述开关元件用于在所述电容器中积累电荷时被断开，而在当所述电容器放电时被接通；及
电荷-电压转换装置，用于将通过所述开关器件从所述电容器中取出的电荷转化为作为放射线检测信号的电压信号；
其中所述半导体层由一个n-型非晶半导体和一个n-型多晶半导体构成，二者均为高电阻率，空穴的μτ乘积大于电子的μτ乘积，μτ乘积为由入射放射线产生的电子和空穴的迁移率μ和平均寿命τ的乘积；及
其中所述半导体层具有一个形成在电压应用电极侧上的用于允许空穴注入的结构，和形成在载流子收集电极侧上的用于阻止电子注入的结构。
10.根据权利要求9所述的放射线检测装置，其特征在于被提供到所述电压应用电极上的偏压位于偏压的绝对值|VA|为|VA|＞d2/μτL的范围内，其中d为电极间的距离，而μτL为载流子的μτ乘积的较大的一个。
11.根据权利要求9所述的放射线检测装置，其特征在于所述半导体层由未掺杂杂质的非掺杂非晶硒和掺杂有碱金属的碱-掺杂非晶硒中的一种构成。
12.根据权利要求9所述的放射线检测装置，其特征在于所述用于允许空穴注入的结构包含形成在所述半导体层和所述电压应用电极之间的电阻结。
13.根据权利要求9所述的放射线检测装置，其特征在于所述用于允许空穴注入的结构包含半导体膜和有机膜中的一种的一p-型层，二者都为低电阻率，形成在所述半导体层和所述电压应用电极之间。
14.根据权利要求9所述的放射线检测装置，其特征在于所述用于阻止注入电子的结构包含半导体膜和有机膜中的一种的一p-型层，二者都为低电阻率，形成在所述半导体层和所述载流子收集电极之间。
15.根据权利要求9所述的放射线检测装置，其特征在于所述装置包含多个二维结构的检测元件，每个至少具有所述的半导体层，所述电压应用电极，所述载流子收集电极，所述电荷存储电容器和所述开关元件。
16.用于将入射放射线转化为电信号的放射线检测装置包含：
用于响应入射放射线产生电子-空穴对形式的载流子的放射线感应半导体层；
一对分别形成在所述半导体层的相对表面上的电极，其中的一个所述电极为电压应用电极，对其施加负偏压，另外一个所述电极为载流子收集电极；
一个与所述载流子收集电极相连的用于存储由所述半导体层的载流子的移动所产生的电荷的电荷存储电容器；
一个与所述电容器相连的开关元件，所述开关元件用于在所述电容器中积累电荷时被断开，而在当所述电容器放电时被接通；及
电荷-电压转换装置，用于将通过所述开关器件从所述电容器中取出的电荷转化为作为放射线检测信号的电压信号；
其中所述半导体层由p-型非晶半导体和p-型多晶半导体中的一个构成，二者均为高电阻率，具有电子的μτ乘积大于空穴的μτ乘积，μτ乘积为由入射放射线产生的电子和空穴的迁移率μ和平均寿命τ的乘积；及
其中所述半导体层具有一个形成在电压应用电极侧上的用于允许电子注入的结构，和形成在载流子收集电极侧上的用于阻止空穴的注入的结构。
17.根据权利要求16所述的放射线检测装置，其特征在于被提供到所述电压应用电极上的偏压位于偏压的绝对值|VA|为|VA|＞d2/μτL的范围内，其中d为电极间的距离，而μτL为载流子的μτ乘积中的较大的一个。
18.根据权利要求16所述的放射线检测装置，其特征在于所述半导体层包含从由CdZnTe，CdTe和PbI2组中选出的一种化合物半导体。
19.根据权利要求16所述的放射线检测装置，其特征在于所述半导体层包含掺杂有卤素的掺-卤素非晶硒。
20.根据权利要求16所述的放射线检测装置，其特征在于所述用于允许电子注入的结构包含形成在所述半导体层和所述电压应用电极之间的电阻结。
21.根据权利要求16所述的放射线检测装置，其特征在于所述用于允许电子注入的结构包含半导体膜和有机膜中的一种的一n-型层，二者都为低电阻率，形成在所述半导体层和所述电压应用电极之间。
22.根据权利要求16所述的放射线检测装置，其特征在于所述用于阻止注入空穴的结构包含一个形成在所述半导体层和所述载流子收集电极之间的肖特基结。
23.根据权利要求16所述的放射线检测装置，其特征在于所述用于阻止空穴注入的结构包含半导体膜和有机膜中的一种的一n-型层，二者都为低电阻率，形成在所述半导体层和所述载流子收集电极之间。
24.根据权利要求16所述的放射线检测装置，其特征在于所述装置包含多个二维结构的检测元件，每个检测元件至少具有所述的半导体层，所述电压应用电极，所述载流子收集电极，所述电荷存储电容器和所述开关元件。
25.用于将入射放射线转化为电信号的放射线检测装置，其中包含：
用于响应入射放射线产生电子-空穴对形式的载流子的放射线感应半导体层；
一对分别形成在所述半导体层的相对表面上的电极，其中的一个所述电极为电压应用电极，对其施加正偏压，另外一个所述电极为载流子收集电极；
一个与所述载流子收集电极相连的用于存储由在所述半导体层中的载流子的移动所产生的电荷的电荷存储电容器；
一个与所述电容器相连的开关元件，所述开关元件用于在所述电容器中积累电荷时被断开，而在当所述电容器放电时被接通；及
电荷-电压转换装置，用于将通过所述开关器件从所述电容器中取出的电荷转化为作为放射线检测信号的电压信号；
其中所述半导体层由p-型非晶半导体和p-型多晶半导体中的一种构成，二者均为高电阻率，具有电子的μτ乘积大于空穴的μτ乘积，μτ乘积为由入射放射线产生的电子和空穴的迁移率μ和平均寿命τ的乘积；及
其中所述半导体层具有一个形成在电压应用电极侧上的用于阻止空穴注入的结构，和形成在载流子收集电极侧上的用于允许电子注入的结构。
26.根据权利要求25所述的放射线检测装置，其特征在于被提供到所述电压应用电极上的偏压位于偏压的绝对值|VA|为|VA|＞d2/μτL的范围内，其中d为电极间的距离，而μτL为载流子的μτ乘积中的较大的一个。
27.根据权利要求25所述的放射线检测装置，其特征在于所述半导体层包含从由CdZnTe，CdTe和PbI2组中选出的一种化合物半导体。
28.根据权利要求25所述的放射线检测装置，其特征在于所述半导体层包含掺杂有卤素的掺-卤素非晶硒。
29.根据权利要求25所述的放射线检测装置，其特征在于所述用于阻止空穴注入的结构包含形成在所述半导体层和所述电压应用电极之间的肖特基结。
30.根据权利要求25所述的放射线检测装置，其特征在于所述用于阻止空穴注入的结构包含半导体膜和有机膜中的一种的一n-型层，二者都为低电阻率，被形成在所述半导体层和所述电压应用电极之间。
31.根据权利要求25所述的放射线检测装置，其特征在于所述用于允许注入电子的结构包含一个形成在所述半导体层和所述载流子收集电极之间的肖特基结。
32.根据权利要求25所述的放射线检测装置，其特征在于所述用于允许电子注入的结构包含半导体膜和有机膜中的一种的一n-型层，二者都为低电阻率，被形成在所述半导体层和所述载流子收集电极之间。
33.根据权利要求25所述的放射线检测装置，其特征在于所述装置包含多个二维结构的检测元件，每个检测元件至少具有所述的半导体层，所述电压应用电极，所述载流子收集电极，所述电荷存储电容器和所述开关元件。
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