CN1452938A - X射线探测器 - Google Patents
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Abstract
一种用于探测X射线的X射线探测器，它包括X射线一入射而在其中生成电荷的一个半导体以及在该半导体相对侧上形成的用于施加某一预定偏压的电极。这种半导体是掺入了预定量的某种碱金属的非晶硒(a－Se)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于测量医学、工业、核及其它领域中的X射线的X射线探测器。
背景技术
在具有形成在某一半导体背面的电极的X射线探测器中，在电极之间施加某一预设的偏压，并作为电信号检测出入射X光在半导体中产生的电荷。对于这样一种X射线探测器，根据不同的用途，可以选择使用多种半导体材料。这些半导体材料可以通过多种方式制造出来。一般地，对于要求具有能量分辨率的X射线探测器，倾向于使用某种高纯度的单晶体半导体，如硅(Si)。
特别采用非晶硒(a-Se)的X射线探测器可容易地识别出某种使用膜层涂层技术(例如真空沉积法)做的大小为1,000cm2或更大的高阻抗厚膜层。这种X射线探测器在需大面积测量X光的领域中使用非常理想。
然而，由这种方法形成的非晶硒(a-Se)有许多结构缺陷。一般情况下，为了提高性能，需要添加(即掺入)适量的杂质。
按上述方法构造的传统探测器有以下缺点。
不同于单晶半导体，传统探测器有许多潜在的结构缺陷。这些缺陷会捕获由X射线入射线在半导体内产生的电子和空穴的电荷转移介质(载流子)。捕获的载流子无法作为电信号被拾取。这会导致X射线探测器产生灵敏度恶化的现象。
下面将参照图2A和2B专门描述这种现象。图2A和2B是这种X射线探测器内部结构的示意图。如图2B所示，在非晶硒(a-Se)中的这种结构缺陷包括某一固定比例的复合中心D0与电离复合中心D+(电子俘获中心)和D-(空穴俘获中心)。此时D+和D-的密度决定了X射线探测器灵敏度的初始值。这种状态可由以下公式表示：
2D0→D++D-
当X射线以这种状态撞击而在非晶硒(a-Se)中产生电子(e-)或空穴(h+)的电荷转移介质(载流子)时，这些介质首先会被复合中心D0捕获而分别转变为D-和D+。在这种方式中，D+与D-的密度会增大而导致灵敏度恶化。这种关系可由以下两个公式表达：
D0+e-→D-
D0+h+→D+
发明内容
本发明的目的是提供一种可弥补非晶非晶硒(a-Se)的结构缺陷而免于灵敏度恶化的X射线探测器。
依照本发明，利用包括一个X射线一入射而在其中产生电荷的半导体及在该半导体相对侧上形成的电极(该电极用于施加某一预设偏压)的探测X射线的X射线探测器可以满足上述目的，其中探测器中的半导体是掺有某一预定数量的碱金属的非晶(amorphous)硒(a-Se)。
如图2A所示，在对作为X射线敏感半导体层的非晶硒(a-Se)中加入(掺入)了具有很强电离倾向的碱金属M，以弥补结构缺陷D0的数量。因此，非晶硒(a-Se)中的结构缺陷只是复合中心(recombinationcenter)的D0和阴离子化的D0的D-(空穴捕获中心)。这种状态由以下公式(1)表达：
2D0+M→M++D-+D0 …(1)
在这种状态中，当入射X射线在非晶硒(a-Se)中产生电子(e-)或空穴(h+)的电荷转移介质(载流子)时，电子被复合中心D0捕获而转变为D-，空穴被D-捕获而转变为D0。
这种关系可由下述两个公式(2)和(3)表示：
D0+e-→D- (2)
D-+h+→D0 … (3)
从公式(2)和(3)可以看出，其中电子捕获的概率和空穴捕获的概率正好相等，D-的密度不会增加，因而不会发生灵敏度的恶化。即使其中电子捕获的概率(probability)大于空穴捕获的概率而增大了D-的密度，也只有被捕获的空穴数量增加。由于被捕获的电子数量未增加，所以灵敏度的恶化也被抑制了一半。
在依据本发明具有上述结构的X射线探测器中，优选方式是，在X射线入射侧形成的电极中的一个电极是阳极，偏压施加在这个阳极上以增加电位。
如图3所示，由于在X射线入射一侧的电极为阳极，偏压施加在这个阳极上以便电位增加，则由X射线入射产生的电子会移向X射线入射一侧，而空穴会移向相反的一侧。在X射线和材料之间的交互作用的特征是：在更接近材料表面的区域中趋向于发生更强的反应。因此，在接近X射线入射的平面附近会由X射线入射产生许多电子。这些电子移向X射线入射一侧的电极，从而移动距离缩短。因此，电子到达电极而不被复合中心D0捕获的可能性会增加而降低了D-增加的可能性。在这种方式中，不仅抑制了被捕获的电子数量的增加，而且也抑制了被捕获空穴数量的增加。结果是，这种X射线探测器几乎不会发生灵敏度的恶化。
在按照本发明的这种X射线探测器中，优选方式是，掺入的碱金属的数量在0.01至10ppm之间，掺入的碱金属的数量更加优选的方式是在0.05到2ppm之间。
其中添加的碱金属(掺入)的数量在0.01到10ppm之间时，这实质上相应于补偿非晶硒(a-Se)的结构缺陷D0的数量，按公式(1)中反应可以可靠地抑制灵敏度的恶化。
而其中添加的碱金属(掺入)的数量小于0.01ppm时，碱金属的效果会减小而导致灵敏度的恶化。而其中添加的碱金属的数量大于10ppm时，碱金属本身会沉积，而导致暗电流的增加而导致灵敏度极大的下降。
当然，即使在上述范围内，存在的最佳数量也要按照碱金属(alkalimetal)的类型和膜层成型的状况而定(如汽相淀积温度和衬底温度)。例如在掺入Na的情况中，最佳的数量为0.05到2ppm之间。
附图说明
为了举例说明本发明，附图显示了优选的几种形式，然而，本发明并不仅限于所示的明确设置和手段。
图1是依照本发明的X射线探测器结构的横断面示意图；
图2A和2B是按照本明的X射线探测器内部结构的说明性视图。
图3是依照本发明的X射线探测器功能的解释性示意图；
图4是依照本发明经修改的X射线探测器结构的横断面图；
图5显示了实例及测量数据的特性。
图6为表明试验3和对比试验2的两种X射线探测器信号电流的变化曲线。
图7显示了实例及测量数据的特性；和
图8显示了实例及测量数据的特性。
具体实施方式
以下将参照附图详细描述本发明的一种优选实施例。
图1到4显示了本发明的一种实施例。图1是显示一种X射线探测器结构的横断面示意图；图2A和2B是显示这种X射线探测器内部结构的示意图。图3是依照本发明的X射线探测器功能的解释性示意图；图4是经修改的一种X射线探测器结构的横断面示意图；
如图1所示，本实施例中的X射线探测器包括一个载流子收集电极1和在绝缘衬底(如玻璃衬底)上形成的下部载流子选择层2。非晶硒(a-Se)的半导体厚膜层4也形成在衬底3上。0.01到10ppm的碱金属已被添加(掺入)到非晶硒，优选的范围为0.05到2ppm之间。施压电极6通过上部载流子选择层5形成在半导体厚膜层4上。
下部和上部载流子选择层(carrier selection layers)2和5设置是为了利用半导体中对作为载流子的电子和空穴之间的电荷转移作用的显著不同而抑制暗电流。其中正偏压施加在施压电极6上，为了抑制空穴的注入，使用如硒化镉(CdSe)、硫化镉(CdS)或二氧化铈(CeO2)的N型半导体层，或使用如三硫化二锑(Sb2S3)的半绝缘体层，或使用掺加入砷(As)或碲(Te)的非晶硒层作为上部载流子选择层5。作为下部载流子选择层2，为了抑制电子的注入，使用了诸如硒化锌(ZnSe)、碲化锌(ZnTe)或硫化锌(ZnS)的P型半导体，或如三硫化二锑(Sb2S3)的半绝缘体层，或掺加入如氯(Cl)的卤素元素的非晶硒层。一个半绝缘层(如三硫化二锑(Sb2S3))可以基于膜层成型条件颠倒电子和空穴的作用。
本实施例中的X射线探测器向施压电极6上施加了偏压，X射线入射在非晶硒(a-Se)半导体厚膜层4中产生电荷(电子和空穴)。以来自载流子收集电极1的电信号的形式，X射线探测器探测到由生成的电子和空穴分别向两个电极移动而产生的电荷。
如图2B所示，这里列出了非晶硒(a-Se)半导体厚膜层4中的三类结构缺陷，即复合中心D0和电离复合中心D+(电子捕获中心)和D-(空穴捕获中心)。然而，在本实施例中的这种X射线探测器中，在非晶硒(a-Se)半导体厚膜层4添加有(掺入)了碱金属M。如图2A所示，只存在D0和D-。灵敏度的值由D+和D-的密度确定。根据此前列出的公式(2)，X射线的照射会增加D-，而D+不会增加。因此，X射线探测器的灵敏度的恶化被抑制了一半。
如图3所示，当施加一个正偏压以便在X射线入射一侧的电极(即电压施加电极6)有一个比载流子收集电极1更高的电位时，由X射线入射生成的电子移向X射线入射一侧，而空穴移向相反的一侧。在X射线和材料之间的交互作用的特征是：在更接近材料表面的区域趋向发生更强的反应。因此，X射线入射在X射线入射平面附近产生了许多电子。这些电子会移向X射线入射一侧的电极。结果，电子的移动减小的距离。这增加了电子到达施压电极而不被复合中心D0捕获的可能性，因而使D-的增加趋于最小化。结果是，这种X射线探测器几乎不会发生任何灵敏度恶化。
图4是经修改的一种X射线探测器结构的横断面示意图，其中对上述的X射线探测器进行了发展以在二维矩阵中形成许多通道。每一个载流子收集电极11均与存贮电荷用的电容器12和用于读取电荷的开关装置13(薄膜晶体管(TFT)开关)连接。载流子收集电极11排列在TFT衬底上，衬底具有电容器12和开关装置13，以构成一个二维的阵列。相同的标号用于表示此前描述的X射线探测器的相同元件，本部分将不再重复描述。
当X射线照射经此种修改的X射线探测器时，通过在整个表面形成的作为一个普通电极的施压电极14上施加一个偏压，生成的电荷(电子和空穴)会分别移向反相电极。这些感应电荷会存贮在存储电荷的电容器12中，电容器12通过载流子电极11连接到X射线入射位置。读取时，来自门驱动器(gate driver)15的“开启”(ON)信号会经栅极线16输入，开启(连接)开关装置13。然后，存贮的电荷会作为放射探测信号而被发送，经传感线17穿过电荷-电压转换器18和多路器19，然后被作为数字信号输出产生一幅二维X射线图像。
利用这种二维矩阵结构，按照本发明的X射线探测器的特性可以显著地显现出来。
特别地，使用传统X射线探测器，根据X射线入射强度，发生的灵敏度恶化会导致局部的灵敏度变化。这对于以后所拍摄图像的质量的影响很大。在这种经修改的实施例中的X射线探测器中，非晶硒(a-Se)半导体厚膜20添加(掺入)有碱金属，并且在使用中施压电极14上施加正偏压。这样，就几乎不会发生灵敏度恶化，图像质量的不会恶化(例如灵敏度的变化)。
在前面所述的X射线探测器及其修改中，碱金属的典型实例是锂(Li)、钠(Na)和钾(K)。如本发明有关功能的描述，只要元素有很强的电离倾向和减轻的效果，掺入碱土金属(如钙(Ca))或非金属元素(如氢(H))也可以产生相似的效果。
<本发明的测量数据及与以前技术的对比>
下面，将验证本实施例中X射线探测器对灵敏度恶化的改善情况。
如图5所示，这里使用的实例包括8种X射线探测器，即试验1-6号X射线探测器和比较1和2号X射线探测器。试验1-6号X射线探测器在非晶硒(a-Se)半导体厚膜20中添加(掺入)的碱金属Na的量分别为0.01ppm、0.1ppm、0.5ppm、1.0ppm、5.0ppm和10.0ppm。对比1号X射线探测器中在非晶硒(a-Se)半导体厚膜20添加(掺入)了数量为20.0ppm的碱金属Na。对比2号X射线探测器中在非晶硒(a-Se)半导体厚膜未掺入其它物质。在所有X射线探测器中，非晶硒(a-Se)半导体厚膜4的厚度为1mm。
对于试验和对比用的所有X射线探测器，施压电极6都被施加了±10kV的偏压，一个电流计与载流子收集电极1相连以读取信号电流。在这种状态下，在80kV射线管电压(tube voltage)和2.2mA射线管电流(tubecurrent)条件下，X射线穿过1mm铝过滤器在X射线探测器上连续照射15分钟，并记录信号电流的变化。图6显示了取得的信号电流的变化。
如所看到的，对比2号X射线探测器的信号电流在正和负偏压条件下均以指数方式下降。试验3号X射线探测器在正偏压条件下，信号电流几乎不发生变化；而在负偏压条件下，仅发生轻微地下降。在图5中信号电流恶化ΔI的量代表紧接X射线照射后瞬时信号电流与照射15分钟后的信号电流差，即灵敏度恶化的量。
上述结果表明：所掺入的碱金属Na的量在0.01到10.0ppm之间时，信号电流恶化量ΔI很小，几乎不出现灵敏度的恶化。也可以理解，在正偏压的情况下灵敏度恶化的程度比负偏压情况下要小。
与之相类似，试验7号X射线探测器掺入了0.5ppm的钾(K)，也检查了信号电流的变化。结果如图7所示。可以看出：信号电流恶化量ΔI比未掺入钾(K)的对比2号探测器明显地小。
此外，试验8号X射线探测器掺入了0.1ppm的锂(Li)，也检查了信号电流的变化。结果如图8所示。可以看出：信号电流恶化量ΔI比未掺入锂(Li)的对比2的探测器明显地小。
这些结果证明掺入钠(Na)以外的碱金属可以对抑制灵敏度的恶化产生相似的效果。
在不背离本发明精神或实质属性的情况下，本发明可以以其它具体的形式进行实施，因此，如本发明的范围所指出，应该参考附加的权利要求，而不是上述的说明。
Claims (12)
1.一种用于探测X射线的X射线探测器，它包括：
一个半导体，用于X射线一入射在所述半导体中产生电荷；和
在该半导体相对侧上形成的用于施加某一预定偏压的电极；
其中所述的半导体是掺入预定量的某种碱金属的非晶硒(a-Se)。
2.根据权利要求1所述的X射线探测器，其中在X射线入射一侧形成的所述电极中的一个电极是阳极，偏压施加在这个阳极上以增大电位。
3.根据权利要求1所述的X射线探测器，其中掺入的碱金属数量在0.01到10ppm之间。
4.根据权利要求2所述的X射线探测器，其中掺入的碱金属数量在0.01到10ppm之间。
5.根据权利要求1所述的X射线探测器，其中掺入的碱金属数量在0.05到2ppm之间。
6.根据权利要求2所述的X射线探测器，其中掺入的碱金属数量的为0.05到2ppm之间。
7.根据权利要求1所述的X射线探测器，其中所述的碱金属是锂Li、钠Na、钾K、钙Ca和氢H中的一种。
8.根据权利要求2所述的X射线探测器，其中所述的碱金属是锂Li、钠Na、钾K、钙Ca和氢H中的一种。
9.根据权利要求1所述的X射线探测器，它还包括在所述半导体的上侧和下侧形成的载流子选择层。
10.根据权利要求2所述的X射线探测器，它还包括在所述半导体的上侧和下侧形成的载流子选择层。
11.根据权利要求1所述的X射线探测器，其中所述半导体形成在带有薄膜晶体管开关、电荷存贮电容器和载流子收集电极的TFT衬底上。
12.根据权利要求2所述的X射线探测器，其中所述半导体形成在具有薄膜晶体管开关、电荷存贮电容器和载流子收集电极的TFT衬底上。
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