DE102015114374A1

DE102015114374A1 - Gammastrahlendetektor und verfahren zur detektion von gammastrahlen

Info

Publication number: DE102015114374A1
Application number: DE102015114374.7A
Authority: DE
Inventors: Johannes Hacker; Friedrich Kröner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-08-28
Filing date: 2015-08-28
Publication date: 2016-03-03
Anticipated expiration: 2035-08-29
Also published as: US9482762B2; US20170205518A1; US9733365B2; US20160061967A1; DE102015114374B4; CN105388509B; CN105388509A

Abstract

In verschiedenen Ausführungsformen wird ein Gammastrahlendetektor vorgesehen. Der Gammastrahlendetektor (100) kann ein Wandlerelement (104) umfassen, das ausgelegt ist, ein Elektron freizusetzen, wenn sich der Gammastrahl wenigstens teilweise durch das Wandlerelement (104) bewegt. Der Gammastrahlendetektor (100) kann ferner umfassen: einen Halbleiterdetektor (103), der eingerichtet ist, das Elektron zu empfangen, und ausgelegt ist, ein Signal zu erzeugen, wenn sich das Elektron wenigstens teilweise durch den Halbleiterdetektor (103) bewegt; und eine Verstärkerschaltung (105), die mit dem Halbleiterdetektor (103) gekoppelt ist und ausgelegt ist, das vom Halbleiterdetektor (103) erzeugte Signal zu verstärken. Im Gammastrahlendetektor (100) kann das Wandlerelement (104) eingerichtet sein, die Verstärkerschaltung (105) wenigstens teilweise gegen elektromagnetische Strahlung abzuschirmen.

Description

Verschiedene Ausführungsformen beziehen sich allgemein auf Gammastrahlendetektoren. Insbesondere beziehen sich verschiedene Ausführungsformen auf Halbleiter-Gammastrahlendetektoren.
Eine Person kann auf radioaktive Strahlung treffen (auch als Atomstrahlung bezeichnet), beispielsweise künstliche Atomstrahlung, die von Atomenergiereaktoren oder von Systemen, beispielsweise Beschleunigern, oder Materialien emittiert wird, die für medizinische Anwendungen verwendet werden. Ferner kann in bestimmten Materialien natürliche radioaktive Strahlung auftreten. Die Materialien können Konzentrationsprozessen unterzogen werden, die zu einer Erhöhung ihrer Strahlungspegel führen können. Dennoch können solche Materialien in alltäglichen Produkten verwendet werden, beispielsweise in der Industrie oder im Bauwesen, wo sie ohne Schutzmaßnahmen verwendet werden können, wie Wänden, die als Abschirmung gegen die Strahlung ausgelegt sind.
Ferner kann sich auch jemand, der keinen bekannten Kontakt mit den beschriebenen Quellen radioaktiver Strahlung hat, trotzdem sicherer fühlen, falls er oder sie einen Sensor für die radioaktive Strahlung zu seiner oder ihrer Verfügung hat.
Wenn Anwendungen von Atomstrahlung oder Systemen, die Atomstrahlung emittieren, und/oder ein Bewusstsein für die Strahlung zunehmen, kann auch eine Anforderung für tragbare Sensoren zunehmen, die solche radioaktive Strahlung detektieren. Um es einer großen Anzahl der oben beschriebenen Gruppe potenzieller Benutzer zu ermöglichen, sich einen derartigen Strahlungssensor leisten zu können und zu verwenden, können eine einfache Konstruktion, eine kleine Größe, eine einfache Verwendung und/oder ein niedriger Preis erwünscht sein. Ein solcher Strahlungssensor kann beispielsweise ausgelegt sein, Gammastrahlung zu detektieren. Gammastrahlung kann auch als Gammastrahlen, Gammaphotonen oder Gammaquanten bezeichnet werden. Im Kontext dieser Anmeldung kann sich der Ausdruck „Gammastrahlung“ (und seine Synonyme) auf elektromagnetische Strahlung mit einer Quantenenergie über ungefähr 40 keV beziehen.
Üblicherweise kann Gammastrahlung mittels eines Gasionisierungsdetektors detektiert werden, wie beispielsweise einer Geiger-Müller-Röhre. Solche Gasionisierungsdetektoren können ein relativ großes Volumen für eine Detektion von Gammastrahlung erfordern, so dass eine Miniaturisierung schwierig sein kann.
Alternativ dazu können herkömmliche Gammastrahlendetektoren Halbleitermaterialien für eine direkte Detektion von Gammaphotonen verwenden. Eine Interaktionswahrscheinlichkeit, d.h. die Wahrscheinlichkeit, dass ein Gammaphoton mit dem Halbleitermaterial interagieren wird, beispielsweise mittels eines fotoelektrischen Effekts, einer Compton-Streuung oder einer Paarbildung, kann jedoch sehr niedrig sein, wenigstens verglichen mit einer Interaktionswahrscheinlichkeit für geladene Teilchen, und auch verglichen mit elektromagnetischer Strahlung mit einer niedrigen Energie, beispielsweise elektromagnetischer Strahlung in einem sichtbaren Wellenlängenbereich. Silicium-Detektoren können daher primär für eine Detektion eines Beta-Zerfalls verwendet werden, der zu einer Freisetzung eines Elektrons führen kann. Ein solches Beta-Zerfall-Elektron, das ein geladenes Teilchen ist, kann eine Detektionswahrscheinlichkeit von nahezu 100 % in einem Silicium-Detektor aufweisen. Die Detektionswahrscheinlichkeit für ein Gammaphoton wäre im Silicium-Detektor jedoch viel niedriger. Um die Detektionswahrscheinlichkeit für die Gamma-Photonen zu erhöhen, kann ein Halbleiter mit einer höheren Atomzahl als Detektormaterial verwendet werden. Beispielsweise kann Germanium (mit einer Atomzahl von 32 im Gegensatz zu 14 für Silicium) verwendet werden. Für eine akzeptable Detektionswahrscheinlichkeit kann jedoch weiterhin ein großes Volumen des Germaniums (oder allgemeiner des Halbleiters) erforderlich sein, was wiederum eine Miniaturisierung schwierig macht. Ferner ist Germanium sehr teuer.
In verschiedenen Ausführungsformen wird ein Gammastrahlendetektor vorgesehen. Der Gammastrahlendetektor kann ein Wandlerelement umfassen, das ausgelegt ist, ein Elektron freizusetzen, wenn sich ein Gammastrahl wenigstens teilweise durch das Wandlerelement bewegt. Der Gammastrahlendetektor kann ferner umfassen: einen Halbleiterdetektor, der eingerichtet ist, das Elektron zu empfangen, und ausgelegt ist, ein Signal zu erzeugen, wenn sich das Elektron wenigstens teilweise durch den Halbleiterdetektor bewegt; eine Verstärkerschaltung, die mit dem Halbleiterdetektor gekoppelt ist und ausgelegt ist, das vom Halbleiterdetektor erzeugte Signal zu verstärken; und eine Abschirmung, die den Halbleiterdetektor und die Verstärkerschaltung im Wesentlichen vollständig umgibt. Im Gammastrahlendetektor kann das Wandlerelement wenigstens einen Teil der Abschirmung bilden.
In einer Ausgestaltung kann der Halbleiterdetektor aufweisen: wenigstens ein p-dotiertes Gebiet; wenigstens ein n-dotiertes Gebiet; wenigstens ein Zwischengebiet, welches das wenigstens eine p-dotierte Gebiet vom wenigstens einen n-dotierten Gebiet trennt, wobei das wenigstens eine Zwischengebiet eine niedrigere Dotierungsmittelkonzentration aufweist als das wenigstens eine p-dotierte Gebiet und das wenigstens eine n-dotierte Gebiet; wenigstens eine erste Elektrode, die mit dem wenigstens einen p-dotierten Gebiet in elektrischem Kontakt steht; und wenigstens eine zweite Elektrode, die mit dem wenigstens einen n-dotierten Gebiet in elektrischem Kontakt steht. In noch einer Ausgestaltung kann das Wandlerelement an wenigstens eine Fläche des Halbleiterdetektors angrenzen. In noch einer Ausgestaltung kann das Zwischengebiet ein intrinsisches Gebiet sein. In noch einer Ausgestaltung kann das Zwischengebiet ein n-dotiertes Gebiet sein. In noch einer Ausgestaltung kann der Gammastrahlendetektor ferner aufweisen eine Energieversorgung, die ausgelegt ist, eine erste Versorgungsspannung der ersten Elektrode und eine zweite Versorgungsspannung der zweiten Elektrode zuzuführen, wobei die zweite Versorgungsspannung höher ist als die erste Versorgungsspannung. In noch einer Ausgestaltung kann eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten und zweiten Elektrode unter 5 V liegen. In noch einer Ausgestaltung kann das Wandlerelement ein Schwermetall oder ein Oxid eines Schwermetalls aufweisen. In noch einer Ausgestaltung kann das Wandlerelement wenigstens ein Material von einer Gruppe von Materialien aufweisen, wobei die Gruppe besteht aus: Blei; Wolfram; Molybdän; Gold; einer Blei-Gold-Legierung; einer Wolfram-Nickel-Legierung und einem Oxid der oben angegebenen Materialien. In noch einer Ausgestaltung kann sich das Wandlerelement entlang wenigstens zwei Seiten des Halbleiterdetektors und der Verstärkerschaltung erstrecken. In noch einer Ausgestaltung kann das Wandlerelement die vollständige Abschirmung bilden. In noch einer Ausgestaltung kann der Halbleiterdetektor eine Mehrzahl von Detektorsegmenten aufweisen. In noch einer Ausgestaltung kann wenigstens ein Teil des Wandlerelements zwischen den Detektorsegmenten angeordnet sein. In noch einer Ausgestaltung kann der Halbleiterdetektor wenigstens ein Material von einer Gruppe von Materialien aufweisen, wobei die Gruppe besteht aus: Silicium; Germanium; einem III-V-Verbindungshalbleiter; einem II-VI-Verbindungshalbleiter; und einem IV-IV-Verbindungshalbleiter. In noch einer Ausgestaltung kann der Halbleiterdetektor als Chip ausgelegt sein.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird ein Gammastrahlendetektor bereitgestellt, aufweisend: ein Wandlerelement, das ausgelegt ist, Compton-Elektronen aus einfallender Gammastrahlung zu generieren; einen Halbleiterdetektor, der ausgelegt ist, die Compton-Elektronen zu detektieren und ein entsprechendes Detektorsignal zu erzeugen; eine Verstärkerschaltung, die ausgelegt ist, das Detektorsignal zu verstärken; und eine Abschirmung, die den Halbleiterdetektor und die Verstärkerschaltung im Wesentlichen vollständig umgibt, wobei das Wandlerelement wenigstens einen Teil der Abschirmung bildet.
In einer Ausgestaltung kann das Wandlerelement ein Schwermetall oder ein Oxid eines Schwermetalls aufweisen. In noch einer Ausgestaltung kann das Wandlerelement die vollständige Abschirmung bilden.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird ein Verfahren zur Detektion von Gammastrahlen bereitgestellt, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines Gammastrahlendetektors, aufweisend: ein Wandlerelement, das ausgelegt ist, ein Elektron freizusetzen, wenn sich ein Gammastrahl wenigstens teilweise durch das Wandlerelement bewegt; und einen Halbleiterdetektor, wobei der Halbleiterdetektor umfasst:
wenigstens ein p-dotiertes Gebiet; wenigstens ein n-dotiertes Gebiet; wenigstens ein Zwischengebiet, welches das wenigstens eine p-dotierte Gebiet vom wenigstens einen n-dotierten Gebiet trennt, wobei das wenigstens eine Zwischengebiet eine niedrigere Dotierungsmittelkonzentration aufweist als das wenigstens eine p-dotierte Gebiet und das wenigstens eine n-dotierte Gebiet; wenigstens eine erste Elektrode, die mit dem wenigstens einen p-dotierten Gebiet in elektrischem Kontakt steht; und wenigstens eine zweite Elektrode, die mit dem wenigstens einen n-dotierten Gebiet in elektrischem Kontakt steht; Bereitstellen einer Versorgungsspannung für die erste Elektrode und einer zweiten Versorgungsspannung für die zweite Elektrode, wobei die zweite Versorgungsspannung höher ist als die erste Versorgungsspannung, und wobei eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Elektrode unter 5 V liegt; Detektieren eines Signals, das im Halbleiterdetektor verursacht wird, wenn sich das Elektron wenigstens teilweise durch das Halbleitersubstrat bewegt.
In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen allgemein auf die gleichen Teile in allen verschiedenen Ansichten. Die Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabgetreu, wobei stattdessen das Hauptaugenmerk auf die Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung gelegt wird. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung mit Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1A und 1B schematische Schnittansichten eines Gammastrahlendetektors gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigen;
2A einen schematischen Schnitt eines Halbleiterdetektors eines Gammastrahlendetektors gemäß verschiedensten Ausführungsformen zeigt; 2B ein äquivalentes Schaltbild für einen Gammastrahlendetektor gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt; und 2C ein Beispiel für eine Verstärkerschaltung zeigt, die in einem Gammastrahlendetektor gemäß verschiedenen Ausführungsformen verwendet werden kann;
3A bis 3D Schnittansichten von Gammastrahlendetektoren gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigen;
4 eine Tabelle von Versuchsergebnissen vorsieht, die mit einem Gammastrahlendetektor gemäß verschiedenen Ausführungsformen und einem Vergleichs-Gammastrahlendetektor erhalten werden;
5 eine perspektivische Ansicht eines Gammastrahlendetektors gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt; und
6 ein Verfahren zur Bildung eines Gammastrahlendetektors gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt.
Die folgende detaillierte Beschreibung bezieht sich auf die beigeschlossenen Zeichnungen, die zur Veranschaulichung spezifische Details und Ausführungsformen zeigen, in denen die Erfindung praktiziert werden kann.
Das Wort „beispielhaft“ wird hier verwendet, um zu bedeuten „als Beispiel, Fall oder Veranschaulichung dienend“. Jede beliebige hier als „beispielhaft“ beschriebene Ausführungsform oder Ausbildung ist nicht unbedingt als bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Ausführungsformen oder Ausbildungen auszulegen.
Das Wort „über“, welches in Bezug auf ein abgeschiedenes Material verwendet wird, das „über“ einer Seite oder Fläche gebildet wird, kann hier verwendet werden, um zu bedeuten, dass das abgeschiedene Material „direkt auf“, z.B. in direktem Kontakt mit, der implizierten Seite oder Fläche gebildet werden kann. Das Wort „über“, welches in Bezug auf ein abgeschiedenes Material verwendet wird, das „über“ einer Seite oder Fläche gebildet wird, kann hier verwendet werden, um zu bedeuten, dass das abgeschiedene Material „indirekt auf“ der implizierten Seite oder Fläche gebildet werden kann, wobei eine oder mehrere zusätzliche Schichten zwischen der implizierten Seite oder Fläche und dem abgeschiedenen Material gebildet sind.
Die Ausdrücke „Schwerelement“ und „Schwermetall“ können so verstanden werden, dass sie sich auf ein chemisches Element mit einer Atomzahl von größer als 20 beziehen.
Die Ausdrücke „schnelles Teilchen“ und „schnelles Elektron“ können so verstanden werden, dass sie sich auf ein Teilchen/Elektron beziehen, das sich mit einer Geschwindigkeit bewegt, die einer kinetischen Energie von wenigstens 20 keV entspricht, z.B. wenigstens 100 keV, z.B. wenigstens 511 keV, z.B. in einem Bereich von etwa 20 bis etwa 10000 keV.
Die Ausdrücke „im Wesentlichen vollständig umgeben“ und „im Wesentlichen vollständig umschließen“ können als erstes Merkmal verstanden werden, das rund um ein zweites Merkmal aus so vielen Richtungen wie möglich gebildet ist, ohne eine Funktionalität des ersten Merkmals, des zweiten Merkmals und/oder einer Kombination der beiden Merkmale als Einheit zu beeinträchtigen. Beispielsweise kann das zweite Merkmal vom ersten Merkmal umschlossen sein, mit der Ausnahme eines Bereichs, wo ein Zugang, beispielsweise ein notwendiger Zugang, beispielsweise für eine elektrische Kontaktierung des zweiten Merkmals vorgesehen werden kann, um einen Druckausgleich zwischen dem umschlossenen Raum und einer Außenseite zu gestatten und dgl. Das zweite Merkmal kann ferner so verstanden werden, dass es im Wesentlichen vollständig vom ersten Merkmal umschlossen oder umgeben ist, falls eine Fraktion eines Flächenbereichs des zweiten Merkmals, die vom ersten Merkmal bedeckt ist, größer oder gleich etwa 90 % ist, z.B. größer oder gleich etwa 95 %, z.B. größer oder gleich 99 %, mit anderen Worten falls wenigstens etwa 95 %, z.B. wenigstens etwa 99 %, des gesamten Flächenbereichs des zweiten Merkmals vom ersten Merkmal bedeckt sind.
In verschiedenen Ausführungsformen kann ein kleiner Gammastrahlendetektor vorgesehen werden. Der Gammastrahlendetektor kann beispielsweise eine Größe mit einer Fläche von weniger als 5 cm² und mit einer Dicke von weniger als 5 mm haben, beispielsweise mit einem Bereich von zwischen 0,5 und 1,5 cm² und mit einer Dicke von etwa 0,3 mm.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Gammastrahlendetektor mit relativ niedrigen Kosten erzeugt werden. Beispielsweise kann der Gammastrahlendetektor ohne die Verwendung eines großen Volumens eines teuren Halbleiters arbeiten, wie Germanium. Stattdessen kann der Gammastrahlendetektor ein kleines Volumen des Halbleiters als Volumen verwenden, in dem ein Detektionsssignal generiert wird, und/oder es kann ein weniger teures Halbleitermaterial, beispielsweise Silicium, verwendet werden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Gammastrahlendetektor für eine Dosisrate empfindlich sein, von der angenommen werden kann, dass sie für Menschen potenziell schädlich ist. Der Gammastrahlendetektor kann für eine Dosisrate von etwa 1 µSv/h empfindlich sein. Mit anderen Worten können Dosisraten von größer oder gleich etwa 1 µSv/h detektiert werden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Gammastrahlendetektor bei einer Operationsspannung unter ungefähr 5 V betrieben werden. Beispielsweise kann die Operationsspannung des Gammastrahlendetektors einer Operationsspannung einer mobilen Kommunikationsvorrichtung, beispielsweise eines Mobiltelefons, entsprechen. Der Gammastrahlendetektor kann beispielsweise in der mobilen Kommunikationsvorrichtung integriert sein, z.B. im Mobiltelefon, und dessen Operationsspannung als Operationsspannung verwenden. Ein Ausgang eines detektierten Signals kann in verschiedenen Ausführungsformen mittels einer Datenleitung vorgesehen werden, die bei einer niedrigen Spannung arbeitet.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Gammastrahlendetektor ein Wandlerelement umfassen. Im Wandlerelement kann einfallende Gammastrahlung eine Compton-Streuung eingehen, die zu einer Freisetzung eines Compton-Elektrons führen kann. Das Compton-Elektron, das schnell oder sogar relativistisch sein kann (wobei ein relativistisches Teilchen, z.B. ein Elektron, so verstanden werden kann, dass es sich auf ein Teilchen/Elektron mit einer kinetischen Energie bezieht, die wenigstens so hoch ist wie seine eigene Ruheenergie), kann in das Halbleitervolumen eintreten. Dort kann das Compton-Elektron Elektron-Loch-Paare generieren, die sich in einem elektrischen Feld trennen können, das im Halbleiter gebildet wird. Dies kann eine Änderung im Potenzial bewirken, das als Signal detektiert werden kann.
Es kann erwartet werden, dass eine Mehrheit der zu detektierenden Gammastrahlung eine Energie bis zu einigen MeV aufweist (beispielsweise kann Caesium-137, das Boden, Wasser, Tiere, Pflanzen, Pilze und Nahrungsmittel nach einem Unfall in einem Atomkraftwerk kontaminieren kann, Gammastrahlung mit einer Energie von 608 keV emittieren). Für diese Energien kann ein dominanter Interaktionsprozess mit Materie, z.B. dem Wandlerelement, die Compton-Streuung sein. Eine Erzeugung von Elektron-Positron-Paaren (die sogenannte Paarbildung) kann auch eine Rolle spielen und kann zu einem Elektron führen, z.B. einem schnellen, z.B. einem relativistischen Elektron, das in das Halbleitervolumen eintritt, im Wesentlichen genau wie das Compton-Elektron. Wenn nichts anderes angegeben ist, kann, wenn im Folgenden Prozesse beschrieben werden, die im Halbleitervolumen durch ein Compton-Elektron/schnelles/relativistisches Elektron bewirkt werden, das sogenannte Compton-Elektron/schnelle/relativistische Elektron seinen Ursprung auch in einem Paarbildungsprozess haben.
So kann der Gammastrahlendetektor gemäß verschiedenen Ausführungsformen nicht auf die Gammastrahlen zurückgreifen müssen, die direkt mit dem Halbleiter interagieren (die eine sehr niedrige Wahrscheinlichkeit aufweisen können), um ein Detektionssignal zu erzeugen. Stattdessen (oder zusätzlich) können die Gammastrahlen mit dem Wandlerelement interagieren, das ausgewählt werden kann, eine höhere Interaktionswahrscheinlichkeit mit der Gammastrahlung aufzuweisen als der Halbleiter, und das Compton-Elektron, falls es gestreut wird, um in den Halbleiter einzutreten, kann die Elektron-Loch-Paare generieren, die das Detektionssignal bewirken können. Ein einzelnes schnelles, z.B. relativistisches, Teilchen kann viele Elektron-Loch-Paare in einem Halbleiter generieren. Als Beispiel können in einem Silicium-Chip mit einer Dicke von etwa 280 µm zwischen 20.000 und 30.000 Elektron-Loch-Paare generiert werden. Eine Detektionswahrscheinlichkeit für das schnelle, z.B. relativistische, Teilchen mittels der generierten Elektron-Loch-Paare kann nahezu 100 % betragen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Wandlerelement ein Material mit einer kleinen Absorptionslänge für Gammastrahlung umfassen oder daraus bestehen, beispielsweise ein Material mit einer hohen Atomzahl, beispielsweise ein Schwermetall (mit einer Atomzahl von über 20), beispielsweise ein Material mit einer Atomzahl von über 30, beispielsweise über 40, beispielsweise über 50, beispielsweise über 60, beispielsweise über 70, beispielsweise Blei, Wolfram oder Gold.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Wandlerelement an den Halbleiter gebondet werden, beispielsweise an den Halbleiter-Chip, beispielsweise an den Silicium-Chip. Das Wandlerelement kann als Schicht gebildet werden, die an den Halbleiter gebondet werden kann.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Gammastrahlendetektor Gammastrahlung im Wesentlichen unabhängig von einer Orientierung des Gammastrahlendetektors in Bezug auf eine Quelle der Gammastrahlung detektieren. Mit anderen Worten kann ein Gammastrahlen-Detektionssignal, das vom Gammastrahlendetektor geliefert wird, im Wesentlichen konstant bleiben, wenn sich eine relative Orientierung des Gammastrahlendetektors und der Gammastrahlenquelle ändert.
In verschiedenen Ausführungsformen kann es notwendig sein, das Detektionssignal zu verstärken, beispielsweise mittels wenigstens eines Verstärkers. Der wenigstens eine Verstärker kann beispielsweise als Verstärkerschaltung eingerichtet sein. Die Verstärkerschaltung kann gegen elektromagnetische Strahlung abgeschirmt werden müssen, um richtig zu funktionieren. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Verstärkerschaltung an einer Position gebildet oder eingerichtet sein, wo sie wenigstens teilweise gegen elektronmagnetische Strahlung mittels des Wandlerelements abgeschirmt werden kann. Auf diese Weise kann eine hohe Signalqualität trotz einer kleinen Größe des Gammastrahlendetektors erhalten werden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Verstärkerschaltung auf einem Chip gebildet sein, auf dem auch der Gammastrahlendetektor gebildet ist, wodurch ein integrierter Detektor-Verstärker-Chip gebildet wird, und der Chip kann neben dem Wandlerelement eingerichtet sein. Beispielsweise kann der Chip an das Wandlerelement gebondet sein, oder der Chip kann sandwichartig zwischen zwei Teilen des Wandlerelements angeordnet sein. In verschiedenen Ausführungsformen können die Verstärkerschaltung und der Gammastrahlendetektor getrennt gebildet sein und gekoppelt sein, beispielsweise elektrisch leitfähig gekoppelt sein. Der Gammastrahlendetektor und die Verstärkerschaltung können beide neben dem Wandlerelement eingerichtet sein, beispielsweise kann der Detektor an das Wandlerelement gebondet sein und die Verstärkerschaltung kann auf dem Wandlerelement eingerichtet sein. Der Gammastrahlendetektor und die Verstärkerschaltung können beispielsweise sandwichartig zwischen zwei Teilen des Wandlerelements angeordnet sein. Der Gammastrahlendetektor und die Verstärkerschaltung können, egal ob sie getrennt oder in integrierter Weise gebildet sind, in verschiedenen Ausführungsformen im Wesentlichen vollständig im Wandlerelement eingeschlossen sein oder im Wesentlichen von diesem vollständig umgeben sein, beispielsweise kann das Wandlerelement rund um den Gammastrahlendetektor und die Verstärkerschaltung so gebildet sein, dass nur Öffnungen für Teile belassen werden, die in den und/oder aus dem Hohlraum führen, der vom Wandlerelement gebildet wird, beispielsweise Durchlassöffnungen für wenigstens eine Energieleitung und/oder wenigstens eine Datenleitung.
In verschiedenen Ausführungsformen kann eine zusätzliche Verarbeitung des (verstärkten) Detektionssignals vorgesehen werden, beispielsweise kann das Signal entstört und/oder umgeformt werden. Als Beispiel kann wenigstens ein Signalprozessor zur Verarbeitung des Detektionssignals verwendet werden, z.B. eine sogenannte „Formungsschaltung“, die eine Kombination von Integration und Differenzierung zur Umformung des Detektionssignals verwenden kann.
1A und 1B zeigen schematische Schnitte eines Gammastrahlendetektors 100, 101 gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
Gammastrahlung kann natürlich in Dosisraten auftreten, die als nicht schädlich für Menschen angesehen werden können. Atomkraftwerke, nuklearmedizinische Behandlungen, Konzentrationsprozesse natürlicher Substanzen, etc., können jedoch zu einem erhöhten Gammastrahlungspegel führen, der für Menschen schädlich sein kann. Ein kostengünstiger Detektor zur Detektion von Gammastrahlung, wenigstens wenn ihr Pegel erhöht ist, so dass er als schädlich für Menschen angesehen werden kann, kann zweckmäßig sein.
Eine Anzahl von Gammaphotonen γ, die einer gegebenen Dosisrate entsprechen können (mit anderen Worten eine Größe eines Gammaphotonenflusses als Funktion der Dosisrate), kann geschätzt werden. Beispielsweise kann eine Dosisrate von 20 µSv/h verwendet werden, die wenigstens für eine langfristige Exposition als schädlich angesehen werden kann.
Ein Photon, das in einen Körper eindringt (zu diesem Zweck kann dieser als fleischähnliche Substanz angesehen werden), kann innerhalb eines Kubikdezimeters (der 1 kg der fleischähnlichen Substanz entsprechen kann) mit einer Wahrscheinlichkeit von 25 % absorbiert werden. Eine Energie, die das Photon im Körper (pro cm²) verlieren kann, kann ein Flussfaktor = Fläche × q₀ × Eγ (keV) × p_abs sein, wobei die Fläche 100 sein kann, was 100 cm² eines Würfels mit einem Gewicht von 1 kg entspricht; q₀ die elementare Ladung sein kann; Eγ beispielsweise 4000 keV sein kann; und p_abs die Absorptionswahrscheinlichkeit sein kann, die hier als 0,25 angenommen wird. Dies kann zum Flussfaktor = 1.6 × 10^–11 J führen.
Unter der Annahme einer Dosisrate von I₀ = 20 µSv/h kann dies zu einem Fluss von Fluss (4 MeV) = I₀ / 3600 / 1.0 × 10⁶ / Flussfaktor = 350 Photonen /cm²/s und zu einem Fluss von Fluss (511 keV) = 2740 Photonen /cm²/s für Gammaphotonen führen, die aus einer Annihilation resultieren. Der Fluss von Annihilationsgammaphotonen kann in der Realität niedriger sein, da mehr als die angenommenen 25 % in 1 kg der fleischähnlichen Substanz absorbiert werden können, daher kann die angenommene Dosisrate von 20 µSv/h ähnlichen Anzahlen von Gammaphotonen entsprechen, egal ob angenommen wird, dass die Gammaphotonen eine Energie von 4 MeV oder von 511 keV haben. Die Anzahl von Gammaphotonen, die einer Dosisrate von 20 µSv/h entsprechen, kann etwa einige 100 Photonen / cm²/ s betragen.
Wie in 1A gezeigt, kann ein Gammaphoton γ in einem Wandlerelement 104 Compton-gestreut werden. Dies kann zu einem Compton-gestreuten Photon γ‘ führen, das eine niedrigere Energie aufweisen kann als das Gammaphoton γ, und einem Compton-gestreuten Elektron e^–.
Wie in 1A und 1B gezeigt, kann in verschiedenen Ausführungsform ein Gammastrahlendetektor 100 einen Halbleiterdetektor 103, das Wandlerelement 104, das einen Teil einer Abschirmung 104, 105 bilden kann, und eine Verstärkerschaltung 120 umfassen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Halbleiterdetektor 103 ein Halbleitervolumen 102 (auch als Halbleitermasse bezeichnet) umfassen. Das Halbleitervolumen 102 kann ein Halbleitermaterial umfassen oder im Wesentlichen daraus bestehen. Das Halbleitermaterial kann beispielsweise wenigstens eines von Silicium, Germanium, einem III-V-Verbindungs-Halbleiter, einem II-VI-Verbindungs-Halbleiter oder einem IV-IV-Verbindungs-Halbleiter umfassen oder sein, z.B. Siliciumgermanium, Siliciumcarbid, Cadmiumtellurid, Galliumarsenid, Indiumphosphid oder Quecksilber(II)-iodid.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Halbleiterdetektor 103, d.h. das Halbleitervolumen 102, wenigstens ein p-dotiertes Gebiet 102c, wenigstens ein n-dotiertes Gebiet 102a und wenigstens ein Zwischengebiet 102b umfassen, welches das wenigstens eine p-dotierte Gebiet 102c vom wenigstens einen n-dotierten Gebiet 102a trennt. Das wenigstens eine Zwischengebiet 102b kann eine niedrigere Dotierungsmittelkonzentration aufweisen als das wenigstens eine p-dotierte Gebiet 102c und das wenigstens eine n-dotierte Gebiet 102a. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Halbleitervolumen 102 wie gezeigt eingerichtet sein, wobei das n-dotierte Gebiet 102a dem Wandlerelement 104 näher ist als das p-dotierte Gebiet 102c. In verschiedenen Ausführungsformen kann jedoch das Halbleitervolumen 102 mit dem p-dotierten Gebiet 102c näher beim Wandlerelement 104 eingerichtet sein, oder mit beiden, dem p-dotierten Gebiet 102c und dem n-dotierten Gebiet 102a, näher beim Wandlerelement 104.
Der Halbleiterdetektor 103 kann in verschiedenen Ausführungsformen eingerichtet sein, so nahe wie möglich beim Wandlerelement 104 zu liegen. Eine Distanz zwischen dem Halbleiterdetektor 103 und dem Wandlerelement 104 kann beispielsweise kleiner sein als 1 mm, z.B. kleiner als 100 µm, z.B. kleiner als 10 µm.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Halbleiterdetektor 103 mit dem Wandlerelement 104 in Kontakt stehen, z.B. in physischem Kontakt, z.B. in direktem physischen Kontakt.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das wenigstens eine n-dotierte Gebiet 102a ein n⁺-dotiertes Gebiet sein, mit anderen Worten ein hochdotiertes n-Typ-Gebiet, beispielsweise ein Gebiet mit einer Konzentration von Dotierungsmittelatomen von ungefäh 10¹⁶ cm^–3, beispielsweise über ungefähr 10¹⁷ cm^–3. Das Dotierungsmittel kann ein Donor in Bezug auf das Material des Halbleiterdetektors 103 sein. Beispielsweise können für einen Gruppe IV-Halbleiter das Dotierungsmittel Gruppe V-Atome sein, beispielsweise Antimon, Phosphor und/oder Arsen.
Das wenigstens eine n-dotierte Gebiet 102a kann eine Dicke in einem Bereich von etwa 50 nm bis etwa 10 µm aufweisen, beispielsweise von etwa 500 nm bis etwa 2 µm.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das wenigstens eine p-dotierte Gebiet 102c ein p⁺-dotiertes Gebiet sein, mit anderen Worten ein hochdotiertes p-Typ-Gebiet, beispielsweise ein Gebiet mit einer Konzentration von Dotierungsmittelatomen über ungefähr 10¹⁶ cm^–3, beispielsweise über ungefähr 10¹⁷ cm^–3. Das Dotierungsmittel kann ein Akzeptor in Bezug auf das Material des Halbleiterdetektors 103 sein. Beispielsweise können für einen Gruppe IV-Halbleiter der Akzeptor beispielsweise Gruppe III-Atome sein, beispielsweise Bor, Aluminium und/oder Gallium.
Das wenigstens eine p-dotierte Gebiet 102a kann eine Dicke in einem Bereich von etwa 50 nm bis etwa 10 µm aufweisen, beispielsweise von etwa 500 nm bis etwa 2 µm.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das wenigstens eine Zwischengebiet 102b ein n-dotiertes Gebiet sein, beispielsweise ein n^–-dotiertes Gebiet, mit anderen Worten ein leicht dotiertes n-Typ-Gebiet. In verschiedenen Ausführungsformen kann das wenigstens eine Zwischengebiet 102b ein p-dotiertes Gebiet sein, beispielsweise ein p^–-dotiertes Gebiet, mit anderen Worten ein leicht dotiertes p-Typ-Gebiet. Eine Konzentration von Dotierungsmittelatomen für die leichte Dotierung kann ungefähr 10¹⁶ cm^–3 oder weniger betragen. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Zwischengebiet 102b nicht dotiert sein. Mit anderen Worten kann das Zwischengebiet 102b ein sogenannter intrinsischer Halbleiter sein.
In verschiedenen Ausführungsformen kann eine Dicke Dt des Halbleitervolumens 102 eine Dicke eines typischen Halbleiter-Wafers sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Dicke Dt des Halbleitervolumens 102 kleiner sein als die Dicke eines typischen Halbleiter-Wafers, falls der Wafer beispielsweise gedünnt ist. Die Dicke Dt des Halbleitervolumens 102 kann in einem Bereich von etwa 100 µm bis etwa 1000 µm liegen, beispielsweise etwa 275 µm, etwa 375 µm, etwa 525 µm, etwa 625 µm, etwa 675 µm, etwa 725 µm, etwa 775 µm oder etwa 925 µm.
In verschiedenen Ausführungsformen können sich zwei Hauptseiten (mit zwei entsprechenden Hauptflächen) des Halbleitervolumens 102 unter rechten Winkeln zur Dickenrichtung des Halbleitervolumens 102 erstrecken.
In verschiedenen Ausführungsformen, wie in 1A und 1B gezeigt, können das p-dotierte Gebiet 102c, das Zwischengebiet 102b und das n-dotierten Gebiet 102a eine Schichtstruktur aufweisen. Mit anderen Worten kann sich das p-dotierte Gebiet 102c entlang einer Hauptfläche des Halbleitervolumens 102 erstrecken, und das n-dotierte Gebiet 102a kann sich entlang der gegenüberliegenden Hauptfläche des Halbleitervolumens 102 erstrecken. Andere Auslegungen des Halbleitervolumens 102 sind in 3A bis 3D gezeigt und werden in den entsprechenden Teilen der Beschreibung beschrieben.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Halbleiterdetektor 100, 101 wenigstens eine erste Elektrode 114 umfassen, die mit dem wenigstens einen p-dotierten Gebiet (in 1A nicht gezeigt, aber siehe beispielsweise 1B) in elektrischem Kontakt steht. Die erste Elektrode 114 kann mit einer Energieversorgung 122 elektrisch verbunden sein.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Halbleiterdetektor 100, 101 wenigstens eine zweite Elektrode 110 umfassen, die mit dem wenigstens einen n-dotierten Gebiet 102a (in 1A nicht gezeigt, aber siehe beispielsweise 1B) in elektrischem Kontakt steht. Die zweite Elektrode 110 kann mit einer Energieversorgung 122 elektrisch verbunden sein.
In verschiedenen Ausführungsformen können die erste Elektrode 114 und die zweite Elektrode 110 mit der Energieversorgung 122 elektrisch verbunden sein, so dass der Halbleiterdetektor 100 in der umgekehrten Richtung vorgespannt ist. Beispielsweise kann die Spannung, die dem n-dotierten Gebiet 102a mittels der zweiten Elektrode 110 zugeführt wird, und die auch als zweite Versorgungsspannung bezeichnet wird, höher sein als die Spannung, die dem p-dotierten Gebiet 102c mittels der ersten Elektrode 114 zugeführt wird, und die als erste Versorgungsspannung bezeichnet wird. Als Beispiel kann das p-dotierte Gebiet 102c mittels der ersten Elektrode 114 mit Masse verbunden sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann eine Spannungsdifferenz zwischen der zweiten Versorgungsspannung und der ersten Versorgungsspannung unter 50 V liegen, z.B. unter 5 V. In verschiedenen Ausführungsformen kann, falls beispielsweise der Gammastrahlendetektor 100, 101 ein Teil einer mobilen Vorrichtung, z.B. eines Mobiltelefons, ist, die Energieversorgung 122 die Energieversorgung der mobilen Vorrichtung sein. Mit anderen Worten kann die Spannungsdifferenz zwischen der zweiten Versorgungsspannung und der ersten Versorgungsspannung einer Betriebsspannung der mobilen Vorrichtung entsprechen, d.h. einer Spannungsdifferenz, die den elektronischen Teilen der mobilen Vorrichtung durch die Energieversorgung der mobilen Vorrichtung zugeführt wird, z.B. durch ihre Batterie oder ihren Akkumulator. Beispielsweise wird derzeit häufig eine Betriebsspannung von 3,8 V in Mobiltelefonen verwendet, und die Betriebsspannung von 3,8 V könnte auch zum Treiben des Gammastrahlendetektors verwendet werden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Halbleiterdetektor 103 eingerichtet sein, das Compton-gestreute Elektron zu empfangen, das ein schnelles, z.B. relativistisches Elektron e^– sein kann. Das schnelle Elektron e^– kann vom Wandlerelement 104 freigesetzt werden. Der Halbleiterdetektor 103 kann so eingerichtet sein, dass ein großer Prozentsatz schneller, d.h. relativistischer Elektronen e^–, die vom Wandlerelement 104 freigesetzt werden, vom Halbleiterdetektor 103 empfangen werden kann, beispielsweise innerhalb des Halbleitervolumens 102 des Halbleiterdetektors 103. Beispielsweise kann das Wandlerelement 104 entlang einer oder beider Hauptseiten des Halbleitervolumens 102 eingerichtet sein, z.B. in einer symmetrischen Anordnung, oder das Wandlerelement 104 kann den Halbleiterdetektor 103 im Wesentlichen vollständig umgeben.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Halbleiterdetektor 103 gegen elektromagnetische Strahlung abgeschirmt sein, z.B. gegen Licht in einem sichtbaren Wellenlängenbereich. Dadurch kann eine Bildung eines Signals im Halbleiterdetektor 103 durch elektromagnetische Strahlung vermieden werden, von der nicht angenommen wird, dass sie detektiert wird. Ferner kann die Verstärkerschaltung 120 gegen elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge unter der Gammastrahlung abgeschirmt werden. Dadurch kann die Bildung eines unerwünschten Signals, beispielsweise eines Rauschsignals, beispielsweise eines Rauschsignals, das durch Strahlung bei Funkfrequenzen eingebracht wird, in der Verstärkerschaltung 120 vermieden oder gemildert werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Abschirmung mittels einer Abschirmung 104, 105 erzielt werden, wobei wenigstens ein Teil der Abschirmung 104, 105 durch das Wandlerelement 104 gebildet werden kann. Ein Teil 105 der Abschirmung 104, 105, der nicht vom Wandlerelement 104 gebildet wird, kann durch eine Schicht 105 gebildet werden, die ein Metall, z.B. Kupfer oder Aluminium, umfasst oder daraus besteht. Die Schicht 105 kann eine Dicke in einem Bereich von etwa 0,05 mm bis etwa 1 mm aufweisen, z.B. etwa 0,5 mm. Die Abschirmung 104, 105 kann den Halbleiterdetektor 103 und die Verstärkerschaltung 120 im Wesentlichen vollständig umgeben. Mit anderen Worten kann die Abschirmung den Halbleiterdetektor 103 und die Verstärkerschaltung 102 vollständig umschließen, mit Ausnahme einer Öffnung, die große genug sein kann, um einen notwendigen Zugang zur Verstärkerschaltung 120 und/oder zum Halbleiterdetektor 103 zu gestatten, z.B. um Spannungsleitungen 110, 114 und/oder wenigstens eine Datenleitung 108 durch die Abschirmung 104, 105 hindurchgehen zu lassen.
Der Halbleiterdetektor 103 kann ferner ausgelegt sein, ein Signal zu erzeugen, wenn sich das schnelle Elektron e^– wenigstens teilweise durch den Halbleiterdetektor 103 bewegt. Ein solcher Prozess, in dem der (teilweise) Durchgang eines Elektrons bewirkt, dass ein entsprechendes Signal gebildet wird, kann auch als Ereignis bezeichnet werden.
Eine Reihe von Ereignissen, die für eine Dosisrate von 20 µSv/h und für die entsprechende Anzahl oben geschätzter Photonen erwartet werden können, kann wie folgt geschätzt werden: zuerst kann darauf geachtet werden, eine Dicke des Wandlerelements 104 auszuwählen, die ermöglichen kann, dass die Compton-gestreuten Elektronen aus dem Wandlerelement 104 entweichen. Beispielsweise kann ein Wandlerelement 104, das aus einem Schwerelement mit einer Dicke von mehr als 1 mm besteht, zu dick sein, da die Compton-Elektronen im Wandlerelement 104 steckenbleiben können. Eine Formel zum Schätzen einer mittleren Distanz, die ein Beta-Zerfall-Elektron in einem Material zurücklegen kann und die auch zum Schätzen einer maximalen Distanz R_max verwendet werden kann, welche ein Compton-Elektron mit einer maximalen Energie E_max in einem Medium mit einer Dichte ρ zurücklegen kann, ist R_max = E_max/2/ρ, wobei E in MeV sein kann und ρ in g/cm³ sein kann. Dies führt zu einer maximalen Dicke des Wandlerelements 104 von R_max = 1,8 mm für Gammaphotonen mit einer Energie von 4 MeV, falls Blei verwendet wird. Eine Bleischicht mit einer Dicke von etwa 1mm kann daher als Wandlerelement 104 verwendet werden.
Zweitens kann unter der Annahme, dass das Wandlerelement 104 eine Bleischicht mit einer Dicke von Ct = 1mm ist und dass die Anzahl der Photonen dem oben geschätzten Photonenfluss entspricht, geschätzt werden, wie viele Photonen im Wandlerelement 104 in Elektronen umgewandelt werden können, beispielsweise mittels der Compton-Streuung oder mittels einer Paarbildung.
Ein Absorptionskoeffizient µ für Blei und Gammaphotonen mit einer Energie von 4 MeV kann µ ≈ 0,7 / cm sein. Ein Fluss von Gammaphotonen 1_pass, der durch das Wandlerelement 104 mit der Dicke von Ct = 1 mm hindurchgeht, ohne absorbiert zu werden, kann I_pass = I₀ × e^{–µ Ct} = 0,93 × I₀ sein, wobei I₀ der Fluss von Gammaphotonen sein kann, die in das Wandlerelement 104 eintreten. Demgemäß kann I₀ – I_pass = 0,068 × I₀, was 6,8 % der 4 MeV Photonen entspricht, im Wandlerelement 104 absorbiert werden. Falls der Fluss stattdessen aus Photonen mit einer Energie von 511 keV besteht, können mehrere von den Photonen im Wandlerelement 104 absorbiert werden, aber die maximale Dicke R_max, oben berechnet für 4 MeV Photonen, kann auch kleiner sein für Photonen mit einer niedrigeren Energie, was bedeutet, dass mehrere der generierten Elektronen im Wandlerelement 104 steckenbleiben können (mit anderen Worten können weniger Photonen aus dem Wandlerelement entweichen). Als Folge kann die Anzahl schneller, d.h. relativistischer Elektronen, die im Wandlerelement 104 generiert werden und in den Silicium-Detektor eintreten, ähnlich sein für Photonen mit einer Energie von 4 MeV und Photonen mit einer Energie von 511 keV.
Unter Berücksichtigung eines Raumwinkels, unter dem die Elektronen in den Silicium-Detektor 103 eintreten können, der zu einem Faktor von 0,25 führen kann, kann eine Anzahl von Ereignissen (auch als Zählungen bezeichnet) N ≈ 350 photons/cm²/s × 0,068 × 0,25 = 6 Zählungen/s für die Dosisrate von 20 µSv/h erwartet werden.
Das schnelle, d.h. relativistische Elektron e^– kann in das Halbleitervolumen 102 mit einer hohen Geschwindigkeit eintreten. Beispielsweise kann die Elektronengeschwindigkeit in Bezug auf die Lichtgeschwindigkeit nicht vernachlässigbar sein. Demgemäß kann das Elektron eine höhere kinetische Energie aufweisen. Während seines Durchgangs oder teilweisen Durchgangs durch das Halbleitervolumen kann wenigstens eine Fraktion der kinetischen Energie des schnellen, d.h. relativistischen Elektrons für eine Bildung von Elektron-Loch-Paaren verwendet werden. Mit anderen Worten kann das schnelle Elektron mittels seines wenigstens teilweisen Durchgangs durch das Halbleitervolumen 102 Ladungsträger generieren (negativ geladene Elektronen und positiv geladene Löcher). Beispielsweise können etwa zwanzig- bis dreißigtausend Elektron-Loch-Paare generiert werden, falls das Halbleitervolumen 102 eine Dicke von etwa 275 µm oder etwa 280 µm aufweist. Die Ladungsträger können frei sein, sich voneinander zu trennen, beispielsweise im Wesentlichen unmittelbar nach ihrer Bildung, und sich im Halbleitervolumen 102 mittels eines elektrischen Felds zu bewegen, das im Halbleitervolumen 102 generiert werden kann (und das sich im Wesentlichen durch das gesamte Halbleitervolumen erstrecken kann, dies aber nicht muss), mittels der ersten Spannung und der zweiten Spannung, die der ersten Elektrode 114 bzw. der zweiten Elektrode 110 zugeführt werden. Die Elektronen können zu einem positiven Potenzial driften, und die Löcher können zu einem negativen Potenzial driften. Beispielsweise können die Elektronen zur zweiten Elektrode 110 driften, der die höhere Spannung zugeführt werden kann, und die Löcher können zur ersten Elektrode 114 driften, der die niedrigere Spannung zugeführt werden kann. Beispielsweise können die Löcher letztlich mit den Elektronen rekombiniert werden, die vom Masse-Kontakt vorgesehen werden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Halbleiterdetektor 103 ferner einen Widerstand 112 umfassen, der zwischen der ersten Elektrode 114 und der Energieversorgung 122, z.B. Masse, gekoppelt sein kann. Der Widerstand 122 kann einen hohen Widerstandswert aufweisen, beispielsweise einen Widerstandswert in einem Bereich von etwa 1 MΩ bis etwa 1 GΩ, z.B. von etwa 10 MΩ bis etwa 100 MΩ.
Die Rekombination der Löcher, die durch das schnelle, d.h. relativistische Elektron generiert worden sein können, das durch das Halbleitervolumen 102 hindurchgeht, können vom Widerstand 112 mit dem hohen Widerstandswert verzögert werden. Mit anderen Worten können die Ladungen, die im Halbleitervolumen generiert wurden und die zur ersten Elektrode driften können, Zeit haben, sich an oder in der ersten Elektrode 114 zu akkumulieren.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das p-dotierte Gebiet 102c von einer Datenleitung 108 mittels eines Dielektrikums 106 getrennt sein, beispielsweise eines Dielektrikums 106, das als Schicht gebildet ist. Das Dielektrikum 106 kann beispielsweise abgeschieden werden, beispielsweise mittels chemischer Dampfabscheidung (CVD). Alternativ dazu oder zusätzlich kann das Dielektrium beispielsweise durch einen Oxidationsprozess gebildet werden, beispielsweise mittels eine Silicium-Oxidationsprozesses, beispielsweise lokal mittels eines sogenannten LOCOS-Prozesses (abgekürzt für „lokale Oxidation von Silicium“). Das Dielektrikum 106 kann auf oder über dem Halbleitervolumen 102 gebildet sein, beispielsweise über dem p-dotierten Gebiet 102c. Das Dielektrikum 106 kann in verschiedenen Ausführungsformen ein dielektrische Material umfassen oder im Wesentlichen daraus bestehen. Das Dielektrikum 106 kann beispielsweise wenigstens eines von einem Oxid, beispielsweise Siliciumdioxid, Titandioxid oder Aluminiumoxid und ein Nitrid, beispielsweise Siliciumnitrid, umfassen oder im Wesentlichen daraus bestehen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Dielektrikum 106 eine Dicke in einem Bereich von etwa 50 nm bis etwa 500 nm aufweisen, beispielsweise von etwa 100 nm bis etwa 300 nm, beispielsweise etwa 200 nm.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Datenleitung 108 auf oder über dem Dielektrikum 106 gebildet sein. Sie kann beispielsweise mittels einer Abscheidung gebildet werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Datenleitung 108 strukturiert werden, beispielsweise während und/oder nach der Bildung der Datenleitung 108. Die Datenleitung 108 kann aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet sein. Sie kann beispielsweise wenigstens ein Metall umfassen, beispielsweise Aluminium und/oder Kupfer, oder im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die Datenleitung 108 kann eine Dicke im Bereich von etwa 100 nm bis etwa 2 µm aufweisen.
Das p-dotierte Gebiet 102c, das Dielektrikum 106 und die Datenleitung 108 können so angesehen werden, dass die einen Kondensator bilden. Die Ladung, die sich in einer Hälfte des Kondensators – dem p-dotierten Gebiet 102c – bildet, kann mittels einer zweiten Hälfte des Kondensators – der Datenleitung 108 – detektiert werden und kann als Detektionssignal von der Datenleitung 108 geliefert werden. Mit anderen Worten können die Ladungen, die sich am oder nahe beim p-dotierten Gebiet 102c akkumulieren, eine Spannungsverschiebung in der Datenleitung 108 bewirken, die als Detektionssignal registriert werden kann. Das von der Datenleitung 108 gelieferte Detektionssignal kann mittels der Verstärkerschaltung 120 verstärkt werden.
Mit anderen Worten kann ein Gammastrahl eine Freisetzung des schnellen, z.B. relativistischen Elektrons e^– bewirken, das in das Halbleitervolumen 102 eintreten kann, wobei bewirkt wird, dass sich Elektron-Loch-Paare bilden, von denen die Löcher zum p-dotierten Gebiet 102c driften, das mit der negativen ersten Elektrode 114 verbunden ist, und von denen die Elektronen zum n-dotierten Gebiet 102a driften, das mit der positiven zweiten Elektrode 110 verbunden ist. Die Datenleitung 108, die kapazitiv mit dem p-dotierten Gebiet 102c gekoppelt sein kann, kann die Akkumulation von Löchern im und/oder nahe beim p-dotierten Gebiet 102c als Detektionssignal registrieren, das mittels der Verstärkerschaltung 120 verstärkt werden kann.
Eine Kapazität des Dielektrikums 106 und der Widerstandswert des Widerstands 112 können eine Entspannungszeit bestimmen (der Ausdruck „Entspannungszeit“ kann so verstanden werden, dass er eine Zeit bedeutet, die der Detektor nach dem Auftreten eines Ereignisses benötigt, um einen Zustand wiederaufzunehmen, in dem er vor dem Ereignis war). Die Entspannungszeit des Gammastrahlendetektors 100, 101 kann kleiner sein als ein Kehrwert einer erwarteten Frequenz von Ereignissen, d.h. kleiner als ein Kehrwert der Frequenz, mit der erwartet wird, dass die Gammastrahlen ein Detektionssignal im Gammastrahlendetektor 100, 101 verursachen. Mit anderen Worten kann die Entspannungszeit des Gammastrahlendetektors 100, 101 kleiner sein als eine erwartete mittlere Zeit zwischen zwei konsekutiven Ereignissen, die zu detektieren sind. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Entspannungszeit des Gammastrahlendetektors 100, 101 eine obere Grenze einer Dosisrate von Gammastrahlung sein, die detektiert werden kann. Falls die Dosisrate hoch genug ist, um Ereignisse mit einer Zeittrennung zu verursachen, die kleiner ist als die Entspannungszeit des Gammastrahlendetektors 100, 101, kann der Gammastrahlendetektor 100, 101 nicht in der Lage sein, im Wesentlichen alle der Ereignisse zu zählen, mit anderen Worten kann der Gammastrahlendetektor 100, 101 bei einer maximalen Ereignisrate gesättigt sein, die auch als maximale Zählrate bezeichnet werden kann, da ein Ereignis während der Verarbeitung in einen Zählwert umgewandelt werden kann. Die maximale Ereignisrate kann einer maximalen detektierbaren Dosisrate entsprechen und kann durch die Entspannungszeit des Gammastrahlendetektors 100, 101 bestimmt werden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Gammastrahlendetektor 100, 101 einen aktiven Bereich aufweisen, in dem eine Beziehung der Anzahl von Gammphotonen, die zu detektieren sind, zur Anzahl von Zählwerten, die vom Gammastrahlendetektor 100, 101 gezählt werden, strikt monoton sein kann. Die Beziehung kann beispielsweise linear sein, mit anderen Worten ein Bereich, in dem die Anzahl von Gammaphotonen, die zu zählen sind (z.B. definiert durch eine tatsächliche Dosisrate) und die Anzahl von Zählwerten (z.B. die detektierte Dosisrate) ungefähr linear korrelieren.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Verstärkerschaltung 120 mit dem Halbleiterdetektor 103 gekoppelt sein. Die Verstärkerschaltung 120 kann elektrisch, beispielsweise elektrisch leitfähig, mit dem Halbleiterdetektor 103 gekoppelt sein. Die Verstärkerschaltung 120 kann ausgelegt sein, das Signal zu verstärken, welches vom Halbleiterdetektor erzeugt wird und welches auch als Detektionssignal oder einfach das Signal bezeichnet wird. Die Verstärkerschaltung 120 kann wenigstens einen Verstärker umfassen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Detektionssignal beispielsweise vor oder nach der Verstärkung mittels der Verstärkerschaltung 120 verarbeitet werden. Das Detektionssignal kann beispielsweise mittels einer Formungsschaltung umgeformt werden, es kann in eine Anzahl von Zählwerten und/oder in eine Zählrate umgewandelt werden (d.h. die Anzahl von Zählwerten pro Zeiteinheit).
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Gammastrahlendetektor 100, 101 ausgelegt sein, nur ein integriertes Signal vorzusehen, d.h. eine Anzahl von Zählwerten oder eine Zählrate, im Gegensatz zu einem räumlich und/oder spektral aufgelösten Signal. Dies kann in einer Anwendung nützlich sein, wo nur eine Gesamtexposition an Gammastrahlung von Intersesse ist, und nicht ein Ort einer Quelle von Gammastrahlung und/oder ein Energiespektrum der detektierten Gammastrahlung. Das Detektieren des Signals in einer räumlich und/oder spektral unaufgelösten Weise kann beispielsweise eine einfachere Ausbildung des Gammastrahlendetektors 100, 101, eine bessere Signalqualitäüt und/oder eine niedrige Betriebsspannung des Gammastrahlendetektors 100, 101 ermöglichen.
Falls ein räumlich aufgelösten Signal zu erzeugen wäre, wäre möglicherweise eine hohe Zeitauflösung des Signals für eine Korrelation des Signals mit einer Ursprungsrichtung erforderlich, beispielsweise kann es nötig sein, dass die Ladungen, die vom schnellen Elektron generiert werden, das durch Halbleitervolumen 102 hindurchgeht, innerhalb einiger Nanosekunden gebildet und getrennt werden. Dies könnte es erforderlich machen, dass das Zwischengebiet 102b vollständig verarmt ist, was seinerseits eine hohe Spannung erforderlich machen könnte, beispielsweise eine Spannung von mehr als 100 V, beispielsweise 200 V, die an den Halbleiterdetektor 103 anzulegen ist.
Da gewählt wird, kein räumlich aufgelöstes Signal vorzusehen, kann eine niedrige Zeitauflösung des Signals ausreichend sein. Beispielsweise kann es ausreichend sein, falls die Ladungen innerhalb 1 bis 10 µs generiert und getrennt werden. Dies kann bedeuten, dass das Zwischengebiet 102b nicht vollständig verarmt sein muss. Stattdessen kann es ausreichend sein, eine dünne Verarmungszone rund um die erste Elektrode 114 zu bilden. Eine solche Verarmungszone, die sich nicht durch das gesamte Zwischengebiet 102b erstrecken kann, kann mit einer relativ niedrigen Spannung erzielt werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann eine Spannungsdifferenz zwischen der zweiten Versorgungsspannung und der ersten Versorgungsspannung von weniger als 50 V ausreichend sein, beispielsweise unter 40 V, beispielsweise unter 30 V, beispielsweise unter 20 V, beispielsweise unter 10 V, beispielsweise unter 5 V, beispielsweise eine Betriebsspannung einer mobilen Kommunationsvorrichtung, beispielsweise etwa 3,8 V.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Halbleiterdetektor 103, beispielsweise direkt oder indirekt, auf dem Wandlerelement 104 gebildet sein.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Wandlerelement 104 ein Material mit einer kleinen Absorptionslänge für Gammastrahlung umfassen oder im Wesentlichen daraus bestehen. Die Absorptionslänge für Gammastrahlung kann mit zunehmender Atomzahl abnehmen. Mit anderen Worten kann ein Material mit einer höheren Atomzahl wahrscheinlicher mit einem Gammaphoton interagieren als ein Material mit einer niedrigeren Atomzahl.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Wandlerelement 104 ein Schwerelement (auch als Schwermetall bezeichnet) oder ein Oxid eines Schwerelements umfassen oder im Wesentlichen daraus bestehen. Das Wandlerelement 104 kann im Wesentlichen aus dem Schwerelement gebildet sein. Das Schwermetall des Wandlerelements 104 kann eine Atomzahl von mehr als 20 aufweisen, beispielsweise eine Atomzahl von über 30, beispielsweise über 40, beispielsweise über 50, beispielsweise über 60, beispielsweise über 70. Das Schwermetall des Wandlerelements 104 kann beispielsweise Blei, Wolfram oder Gold sein. Das Schwerelement des Elektrodes 104 kann eine Atomzahl aufweisen, die wenigstens höher ist als die Atomzahl des Halbleiterdetektors 103. Auf diese Weise kann eine Interaktionswahrscheinlichkeit für ein Gammaphoton γ, das in den Gammastrahlendetektor 100, 101 eintritt, für das Wandlerelement 104 höher sein als für das Halbleitervolumen 102.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Wandlerelement 104 schichtartig sein. Mit anderen Worten kann sich das Wandlerelement in zwei Richtungen unter einem rechten Winkel zu einer Dickenrichtung und zueinander viel mehr als in der Dickenrichtung erstrecken. Seiten, orthogonal zur Dicke, können auch als Hauptseiten bezeichnet werden, und entsprechende Flächen als Hauptflächen. Eine Dicke Ct des Wandlerelements 104 kann in einem Bereich von etwa 0,05 mm bis etwa 0,5 mm liegen, beispielsweise etwa 0,1 mm.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Wandlerelement 104 mit einer seiner Hauptseiten entlang einer der Hauptseiten des Halbleitervolumens 102 eingerichtet sein. Das Wandlerelement 104 kann beispielsweise eingerichtet sein, sich mit seiner Hauptseite oder -seiten im Wesentlichen parallel zu den Hauptseiten des Halbleitervolumens 102 zu erstrecken. Wie in 1B gezeigt, kann das Wandlerelement 104 größer sein (orthogonal zu seiner Dicke) als das Halbleitervolumen 102. Der Halbleiterdetektor 103 kann auf dem Wandlerelement 104 eingerichtet sein. Als Beispiel kann der Halbleiterdetektor 103 auf dem Wandlerelement 104 fixiert sein. Der Halbleiterdetektor 103 kann beispielsweise auf das Wandlerelement 104 geschweißt oder geklebt sein. In einem Gebiet des Wandlerelements 104, das vom Halbleiterdetektor 103 unbedeckt bleibt, kann die Verstärkerschaltung 120 eingerichtet sein. Die Verstärkerschaltung 120 kann beispielsweise auf derselben Seite des Wandlerelements 104 eingerichtet sein wie der Halbleiterdetektor 103. Die Verstärkerschaltung 120 kann am Wandlerelement 104 fixiert sein. Die Verstärkerschaltung 120 kann beispielsweise auf das Wandlerelement 104 geschweißt oder geklebt sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann sich das Wandlerelement 104 entlang des Halbleiterdetektors 103 und entlang der Verstärkerschaltung 120 erstrecken.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Verstärkerschaltung 120 durch das Wandlerelement 104 gegen unerwünschte elektromagnetische Strahlung abgeschirmt werden, wenigstens teilweise, falls das Wandlerelement 104 nicht so eingerichtet ist, dass es die Verstärkerschaltung im Wesentlichen vollständig umgibt, beispielsweise wie in 1B, wo das Wandlerelement 104 auf nur einer Seite der Verstärkerschaltung 120 gebildet sein kann. Die Verstärkerschaltung 120 kann gekoppelt, z.B. elektrisch verbunden, z.B. elektrisch leitfähig verbunden sein mit einer Datenleitung 108. Die Datenleitung 108 kann ausgelegt sein, ein Detektionssignal zu empfangen, das vom Halbleiterdetektor 103 generiert wird, und das Detektionssignal zur Verstärkerschaltung 120 zu senden. Die Verstärkerschaltung 120 kann ausgelegt sein, das von der Datenleitung 108 zugeführte Detektionssignal zu verstärken. Mittels der Abschirmung der Verstärkerschaltung 120 (wenigstens teilweise) gegen elektromagnetische Strahlung kann eine Erzeugung eines Rauschens (der Ausdruck „Rauschen“ kann als Signal verstanden werden, das hier in der Datenleitung 108 und/oder im Verstärker 120 induziert werden kann und das mit einem zu detektieren Ereignis nicht zusammenhängt) in der Datenleitung 108 und/oder in der Verstärkerschaltung 120 gemildert oder vermieden werden. Demgemäß kann auch eine Verstärkung des Rauschens mittels der Verstärkerschaltung 120 gemildert oder vermieden werden.
In verschiedenen Ausführungsformen, wie in 1A und 1B gezeigt, kann sich das Wandlerelement 104 im Wesentlichen parallel zu den Hauptflächen des Halbleitervolumens 102 auf einer Seite des Halbleitervolumens 102 erstrecken. Andere Formen und Auslegungen des Wandlerelements 104 und seiner Anordnung in Bezug auf das Halbleitervolumen 102 und/oder in Bezug auf das p-dotierte Gebiet 102c, das n-dotierte Gebiet 102a und das Zwischengebiet 102b können in 3A bis 3D und den entsprechenden Teilen der Beschreibung gezeigt werden.
2A zeigt einen schematischen Schnitt eines Halbleiterdetektors 200 eines Gammastrahlendetektors gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Wie der in 1A und 1B gezeigte Halbleiterdetektor 103 kann der Halbleiterdetektor 200 eine zweite Elektrode aufweisen, die nicht gezeigt ist. Der Halbleiterdetektor 200 kann im Wesentlichen dem Halbleiterdetektor 103 von 1A und 1B entsprechen, und eine Wiederholung einer Beschreibung identischer oder ähnlicher Teile wird weggelassen. Der Halbleiterdetektor 200 kann ein Teil eines Gammastrahlendetektors 100, 101 sein, wie in 1A und/oder 1B gezeigt. In 2A ist das Dielektrikum 106 nicht als getrennte Struktur gezeigt, beispielsweise eine einzelne Schicht. Stattdessen ist das Dielektrikum 106 nur als Fläche des Halbleitervolumens 102 (des p-dotierten Gebiets 102c) gezeigt, da das Dielektrikum 106 dort als dünne Struktur gebildet werden kann, beispielsweise eine dünne Schicht, beispielsweise eine dünne Struktur, die ein Oxid oder ein Nitrid umfasst. Ein in der Datenleitung 108 gebildetes Signal, beispielsweise ein Signal, das im Kontext mit 1A und 1B beschrieben wird, kann eine Spannung U sein, die mit der Zeit t variiert, wie schematisch in 2A durch ein Kurvensignal U(t) 220 gezeigt ist. Das Signal 220, z.B. die Spannung U(t), kann seine maximale Amplitude bei oder nahe bei einer Mitte des Signals 220 aufweisen. Das Signal 220, z.B. die Spannung U(t), kann als Spannungsimpuls angesehen werden. Das Signal 220, z.B. die Spannung U(t), kann eine absolute Spannung sein. Das Signal 220, z.B. die Spannung U(t), kann eine Spannung sein, die relativ zu einer Basisspannung der Datenleitung 108 gemessen wird, mit anderen Worten kann es eine Spannungsänderung in Bezug auf die Basisspannung der Datenleitung 108 sein. Das Signal 220, z.B. die Spannung U(t), kann eine positive oder eine negative Spannung sein.
2B zeigt ein äquivalentes Schaltbild für einen Gammastrahlendetektor 201 gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
Im äquivalenten Schaltbild für den Gammastrahlendetektor 202 kann das Halbleitervolumen 102 als Diode 102D repräsentiert werden, wobei ihre Kathode mit einem Pol einer Energieversorgung 122 mit zwei Polen elektrisch verbunden ist. Die Kathode der Diode 102D kann mit dem Pol der Energieversorgung 122 mit der höheren Spannung verbunden sein. Der andere Pol kann mit Masse und/oder mit einer Anode der Diode 102D verbunden sein, beispielsweise mittels des Widerstands 112 und möglicherweise mittels einer elektrischen Verbindung 226. Das Halbleitervolumen 102 des Gammastrahlendetektors 102 kann so durch die umgekehrt vorgespannte Diode 102D repräsentiert werden.
Das p-dotierte Gebiet 102c des Halbleitervolumens 102 kann so angesehen werden, dass es eine Elektrode eines Kondensators 222, z.B. eine Platte eines Plattenkondensators 222, bildet, wie in 2A gezeigt, die Datenleitung 108 kann so angesehen werden, dass sie eine zweite Elektrode, z.B. Platte, des Kondensators 222 bildet, und das Dielektrikum 106 kann so angesehen werden, dass es den Spalt zwischen den beiden Elektroden des Kondensators 222 bildet. In einem Fall, wo das Dielektrikum 106 durch ein Oxid gebildet wird oder dieses umfasst, kann der Kondensator 222 als Oxid-Kondensator 222 bezeichnet werden. Auch falls der Kondensator 222 als Oxid-Kondensator 222 bezeichnet werden kann, um ihn vom anderen Kondensator zu unterscheiden, der als Nächstes beschrieben wird (der als Halbleiterkondensator bezeichnet werden kann), kann ein Arbeitsprinzip des Gammastrahlendetektors 201 gültig sein, auch wenn das Dielektrikum 106 kein Oxid umfasst.
Der Halbleiter 102, in 2B als Diode 102D symbolisiert, mit seiner Anordnung des p-dotierten Gebiets 102c, des Zwischengebiets 102b, das wenigstens teilweise von Ladungsträgern verarmt sein kann und daher als Dielektrikum betrachtet werden kann, und des n-dotierten Gebiets 102a kann so angesehen werden, dass er den anderen Kondensator (den Halbleiterkondensator) bildet. Der Halbleiter kann beispielsweise Silicium umfassen. In diesem Fall kann der Halbleiterkondensator als Silicium-Kondensator bezeichnet werden. Eine Trennung der Elektroden (des p-dotierten Gebiets 102c und des n-dotierten Gebiets 102a) des Halbleiterkondensators kann im Wesentlichen die Dicke Dt (siehe 1A) des Halbleitersubstrats 102, beispielsweise eine Wafer-Dicke, sein.
Ein geladenes Teilchen, beispielsweise das schnelle, z.B. relativistische Elektron, kann durch das Halbleitervolumen 102 hindurchgehen, das einen Kristall umfassen oder daraus bestehen kann. Das geladenen Teilchen kann nicht durch das gesamte Halbleitervolumen 102 hindurchgehen und dieses wieder verlassen. Stattdessen kann es im Halbleitervolumen 102 steckenbleiben (mit anderen Worten absorbiert werden). Ein beliebiges geladenes Teilchen, das in das Halbleitervolumen 102 eintritt, kann jedoch so angesehen werden, dass es wenigstens teilweise durch das Halbleitervolumen 102 hindurchgeht. Das geladenen Teilchen kann die Ladungsträger (z.B. die Elektron-Loch-Paare) im Halbleitervolumen 102 generieren und gleiche Ladungsmengen an den Elektroden des Halbleiterkondensators, z.B. des Silicium-Kondensators, bewirken. Dies kann eine Erhöhung der Spannung quer über die Diode 102D, d.h. den Halbleiterkondensator, z.B. den Silicium-Kondensator, bewirken. In einem ersten Moment kann diese Spannungserhöhung zum Kondensator 222, z.B. zum Oxid-Kondensator 222, transferiert werden, bis ein Ladungsausgleich (auf einer Seite mittels des Widerstands 112 zur Energieversorgung 122, auf der anderen Seite mittels der Datenleitung 108 zur Verstärkerschaltung 102) einsetzen kann. Eine größere Kapazität des Kondensators 222, z.B. des Oxid-Kondensators 222, bedeutet, dass es erforderlich sein kann, dass mehr Ladung fließt, um einen Ladungsausgleich zu erzielen. Das bedeutet, dass eine Signalverarbeitung der Ladung erleichtert werden kann.
Die zweite Elektrode des Kondensators 222, d.h. die Datenleitung 108, kann mit der Verstärkerschaltung 120 elektrisch verbunden sein. Das Signal 220 kann zur Verstärkerschaltung 120 mittels einer elektrisch leitfähigen Verbindung transferiert werden. Die Verstärkerschaltung 120 kann wenigstens einen Verstärker 236 umfassen, beispielsweise wenigstens einen Operationsverstärker 236. Die Verstärkerschaltung 120 kann ferner aktive oder passive elektronische Vorrichtungen umfassen, z.B. Widerstände 232, 234, wie in 2B gezeigt. Jede elektronische Vorrichtung der weiteren elektronischen Vorrichtungen kann mit dem Verstärker 236 elektrisch leitfähig gekoppelt sein, beispielsweise kann sie mit dem Verstärker 236 in Serie gekoppelt sein oder parallel zum Verstärker 236. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Widerstand 232 einem Widerstandswert entsprechen, beispielsweise einem Ohm’schen Widerstandswert, der Datenleitung 108, der sehr klein sein kann.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Verstärkerschaltung 120 ausgelegt sein, das Signal 220 zu verstärken, das vom Halbleiterdetektor geliefert wird, z.B. durch die Datenleitung 108 des Halbleiterdetektors. Die Verstärkerschaltung 120 kann ein verstärktes Signal 238 des Signals 220, beispielsweise ein verstärktes invertiertes Signal 238, liefern. Die Verstärkerschaltung 120 kann beispielsweise als invertierender Verstärker ausgelegt sein, wie in 2B gezeigt. Eine von der Verstärkerschaltung 120 vorgesehene Verstärkung kann von den Widerständen 232 und 234 bestimmt werden. Ein nicht-invertierender Eingang des Verstärkers 236, der mit „+“ symbolisiert ist, kann geerdet werden, und ein invertierender Eingang des Verstärkers 236, der mit „–“ symbolisiert ist, kann das Signal 220 empfangen. Das Signal 238 (das Ausgangssignal) kann durch einen Faktor verstärkt werden, der durch ein Verhältnis der Widerstände 234 und 232 bestimmt wird, und das Signal kann invertiert werden. Die Verstärkerschaltung 120 kann nicht nur den gezeigten invertierenden Verstärker umfassen. Alternativ dazu oder zusätzlich kann die Verstärkerschaltung 120 wenigstens ein anderer Verstärker oder eine andere Verstärkerschaltung, beispielsweise ein nicht-invertierender Verstärker oder ein zusätzlicher invertierender Verstärker, sein oder diese umfassen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das verstärkte Signal 238 mittels einer Ausgangsleitung 230 geliefert werden.
2C zeigt ein Beispiel einer Verstärkerschaltung 120, die in einem Gammastrahlendetektor gemäß verschiedenen Ausführungsformen verwendet werden kann, beispielsweise im Gammastrahlendetektor 300, 301, 302 oder 303.
3A bis 3D zeigen Teilschnittdarstellungen von im Gammastrahlendetektoren 300, 301, 302 oder 303 gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
Teile, Gebiete, Funktionalitäten, etc., der meisten oder aller Elemente der Gammastrahlendetektoren 300, 301, 302 und/oder 303 können den im Kontext von 1A bis 2B beschriebenen entsprechen und können hier nicht wiederholt werden.
Wie in 3A gezeigt, kann sich der Gammastrahlendetektor 300 von den im Kontext mit 1A, 1B und 2A beschriebenen Gammastrahlendetektoren hauptsächlich durch eine Form seines p-dotierten Gebiets 102c und eine Form der Datenleitung 108, und möglicherweise in der Weise, wie das Signal 220 behandelt wird, unterscheiden.
Im Gammastrahlendetektor 300 können das n-dotierte Gebiet 102a und das Zwischengebiet 102b im Wesentlichen als geschichtete Strukturen gebildet sein, wie in 1A, 1B und 2A.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das p-dotierte Gebiet 102c nicht als Schicht gebildet sein, sondern stattdessen als Mehrzahl einzelner p-dotierter Gebiete 102c, beispielsweise eine Mehrzahl von Streifen, Stegen, Quadern oder Volumen einer beliebigen anderen Form p-dotierter Gebiete 102c (die im Folgenden einfach als „Stege“ bezeichnet werden, ohne die Form der einzelnen p-dotierten Gebiete 102c auf diese bestimmte Form einzuschränken). Die Mehrzahl p-dotierter Gebiete 102c ist in 3A im Schnitt gezeigt. Die Mehrzahl p-dotierter Gebiete 102c kann im Zwischengebiet 102b des Halbleiters gebildet sein, beispielsweise mittels Implantation und/oder Diffusion, beispielsweise unter Verwendung eines Fotolithografieprozesses, gefolgt von der Implantation und/oder Diffusion. Die Mehrzahl p-dotierter Gebiete 102c kann über im Wesentlichen eine gesamte Hauptfläche des Halbleitervolumens verteilt sein. Im Fall einer länglichen Form der p-dotierten Gebiete 102c, z.B. der Stege, kann die Mehrzahl p-dotierter Gebiete 102c im Wesentlichen parallel eingerichtet sein. Die Mehrzahl p-dotierter Gebiete 102c kann im Zwischengebiet 102b so gebildet sein, dass die einen Teil der Fläche des Halbleitervolumens 102 bilden. Sie können durch Teile des Zwischengebiets 102b getrennt sein. Die Mehrzahl p-dotierter Gebiete 102c kann alternativ dazu oder zusätzlich wenigstens durch Teile des Dielektrikums 106 getrennt sein.
In verschiedenen Ausführungsformen kann jedes von der Mehrzahl p-dotierter Gebiete 102c eine Länge, gemessen entlang ihrer längeren Abmessung entlang der Fläche des Halbleitervolumens 102, in einem Bereich von etwa 10 µm bis etwa 2 cm aufweisen, beispielsweise etwa 1 cm. Jedes von der Mehrzahl p-dotierter Gebiete 102c kann eine Breite, gemessen entlang ihrer kürzeren Abmessung entlang der Fläche des Halbleitervolumens 102, in einem Bereich von etwa 1 µm bis etwa 50 µm aufweisen, beispielsweise etwa 10 µm.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Dielektrikum 106 über der Mehrzahl p-dotierter Gebiete 102c und über dem Zwischengebiet 102b eingerichtet sein, beispielsweise über dem Zwischengebiet zwischen den p-dotierten Gebieten 102c. Mit anderen Worten kann das Dielektrikum 106 konsekutiv über der Mehrzahl einzelner p-dotierter Gebiete 102c gebildet sein.
In verschiedenen Ausführungsformen kann eine Mehrzahl von Datenleitungen 108 über der Mehrzahl p-dotierter Gebiete 102c eingerichtet sein, wobei das Dielektrikum 106 zwischen der Mehrzahl von Datenleitungen und der Mehrzahl p-dotierter Gebiete 102c eingerichtet ist. Beispielsweise kann jede der Mehrzahl von Datenleitungen 108 über einem der Mehrzahl p-dotierter Gebiete 102c eingerichtet sein. Mit anderen Worten können die Mehrzahl p-dotierter Gebiete 102c und die Mehrzahl von Datenleitungen 108 so angesehen werden, dass sie eine Mehrzahl von p-dotiertes Gebiet/Datenleitung-Paaren bilden, wobei jedes Paar das Dielektrikum 106 sandwichartig zwischen seinen beiden Teilen anordnet. Jedes p-dotiertes Gebiet/Datenleitung-Paar kann so angesehen werden, dass es einen Kondensator 222 bildet, mit anderen Worten kann die Mehrzahl p-dotierter Gebiete 102c zusammen mit der Mehrzahl von Datenleitungen 108 und dem Dielektrikum 106 eine Mehrzahl von Kondensatoren 222 bilden.
Ein Absolutwert des Signals 220, welches das Elektron, das sich wenigstens teilweise durch das Halbleitervolumen 102 bewegen kann, im Halbleiterdetektor 103 generieren kann, kann geschätzt werden, indem eine Geometrie des Halbleiterdetektors 103 und die Anzahl von Elektron-Loch-Paaren, die typischerweise von einem einzelnen schnellen, z.B. relativistischen Elektron generiert werden können, das sich durch einen Halbleiter bewegt, verwendet werden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Dielektrikum 106, das ein Oxid sein kann, beispielsweise Siliciumoxid, eine Breite von 10 µm, eine Länge von 1 cm und eine Dicke von 200 nm aufweisen. Der Kondensator 222 mit diesen Abmessungen kann eine Kapazität von C_diel = 16 pF aufweisen.
Eine Kapazität C_semi des Halbleiterkondensators 340 kann schwer zu schätzen sein, da sich der Halbleiterkondensator 340 auch lateral von jedem der Mehrzahl p-dotierter Gebiete 102c erstrecken kann. Eine Größenordnung der Kapazität C_semi des Halbleiterkondensators 340 kann auf etwa 1/50 der Kapazität C_diel des Dielektrikums 106 geschätzt werden, z.B. gilt in diesem Fall C_semi = 0,32 pF.
Das Signal 220, mit anderen Worten die Spannung U (oder eher eine Spannungsänderung ∆U), die von einem einzelnen Elektron erhalten wird, das sich wenigstens teilweise durch den Halbleiterdetektor 103 bewegt, kann sein ∆U = ∆Q/C_semi = 25000 × q₀/0,3 pF = 13 mV. Wenigstens das Signal 220 kann in dieser Größenordnung liegen. Falls als Beispiel der Halbleiterdetektor eine andere Geometrie hat, kann das Signal 220 verschieden sein, z.B. für einen Halbleiterdetektor mit einem (großen, d.h. größer als jedes der Mehrzahl p-dotierter Gebiete 102c) p-dotierten Gebiet anstelle der Mehrzahl p-dotierter Gebiete 102c kann das Signal 220, z.B. die Änderung der Spannung ∆U, kleiner sein als der oben angegebene Wert um ungefähr einen Faktor, der einem Verhältnis des Bereichs des p-dotierten Gebiets 102c gegenüber einen Bereich des einen (großen) p-dotierten Gebiets entspricht. Das Signal kann beispielsweise etwa einige µV betragen.
Das Vorliegen einer Schätzung für die Kapazität C_semi des Halbleiterdetektors 103 (oder des Halbleiterkondensators 340) kann es ermöglichen, eine Schätzung für eine maximale Frequenz f zu bestimmen, mit welcher der Halbleiterdetektor 103 ausgelesen werden kann, mit anderen Worten kann es möglich sein, eine minimale Zeit t zu bestimmen, die der Halbleiterdetektor 103 nach einem Ereignis benötigt, um für das nächste Ereignis wieder empfänglich zu sein (die Entspannungszeit).
Die maximale Frequenz kann sein f = 1/(C_semi × R_semi)^0,5 = 1/(0,3 pF × 0,5 MΩ) 0,5 = 2,6 kHz, wobei R_semi ein Widerstandswert des Zwischengebiets 102b sein kann.
Aus dem obigen Berechnungen und Schätzungen kann der Schluss gezogen werden, dass für einen Gammastrahlendetektor 300 gemäß verschiedenen Ausführungsformen eine Zählrate von einem Ereignis pro Sekunde (die als minimale Zählrate angesehen werden kann) einer Dosisrate von 3 µSv/h entsprechen kann, was etwa dem sechsfachen eines Werts entsprechen kann, der als Wert für natürliche Radioaktivität angesehen werden kann.
Mit einer maximalen Frequenz von etwa 2 kHz kann ein maximaler Dosispegel, der vom Gammastrahlendetektor 300 gemäß verschiedenen Ausführungsformen registriert werden kann, etwa 5 mSv/h betragen. Dosisraten über diesem Pegel können bewirken, dass der Gammastrahlendetektor 300 gesättigt wird (mit anderen Worten in den Überlauf geht).
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Gammastrahlendetektor 300 einen aktiven Bereich im Bereich von etwa 3 µSv/h bis etwa 5 mSv/h aufweisen.
Verschiedene andere Ausführungsformen, beispielsweise Gammastrahlendetektoren mit anderen Geometrien, beispielsweise die Gammastrahlendetektoren 100, 101 und 200, die im Kontext mit 1A, 1B und 2A beschrieben wurden, sowie die Gammastrahlendetektoren 301, 302, 303 und 400, die im Kontext mit 3A bis 3D und 4 beschrieben werden, können andere aktive Bereiche aufweisen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Ausgangssignal 230, das in 2B gezeigt ist, wie an den Gammastrahlendetektor 300 von 3A angelegt, ein integriertes Signal sein, z.B. ein integriertes Signal für die Mehrzahl von Datenleitungen 108. Indem das p-dotierte Gebiet 102c als Mehrzahl p-dotierter Gebiete 102c gebildet ist, kann dies dazu dienen, die Mehrzahl von Kondensatoren 222 und eine Mehrzahl entsprechender Halbleiterkondensatoren 340 zu bilden. Bei einem Halbleiterdetektor 103, in dem wenigstens eines von dem p-dotierten Gebiet 102c, dem Zwischengebiet 102b und dem n-dotierten Gebiet 102a nicht als integrales Gebiet gebildet ist, sondern als Mehrzahl einzelner Gebiete (in 3a kann dies der Fall sein für die p-dotierten Gebiete 102c, und in 3B und 3C für jedes der p-dotierten Gebiete 102c, der Zwischengebiete 102b und der n-dotierten Gebiete 102a), kann der Halbleiterdetektor 103 als segmentierter Halbleiterdetektor 103 bezeichnet werden, und die entsprechenden segmentierten Teile als Detektorsegmente. Die einzelnen Halbleiterkondensatoren 340 können eine kleinere Kapazität aufweisen als ein einzelner Kondensator, der durch das im Wesentlichen gesamte Halbleitervolumen 102 gebildet wird, wie beispielsweise in 1A gezeigt. Es kann jedoch erwartet werden, dass die Ladungsträger (Elektronen und Löcher), die durch das schnelle, z.B. relativistische Elektron generiert werden, das durch das Halbleitersubstrat 102 hindurchgeht, sich im Wesentlichen nur an einem Halbleiterkondensator 340 der Mehrzahl von Halbleiterkondensatoren 340 akkumulieren. Wie aus der Beziehung ∆U = ∆Q/C_semi ersichtlich ist, kann eine kleinere Kapazität zu einer größeren Spannungsänderung (z.B. einer Spannungserhöhung) führen, und daher zu einem größeren Signal. In verschiedenen Ausführungsformen können die Signale von der Mehrzahl von Datenleitungen 108 mittels einer Mehrzahl von Verstärkerschaltungen 120 verstärkt werden. Beispielsweise kann jede Datenleitung 108 der Mehrzahl von Datenleitungen 108 mit einer Verstärkerschaltung 120 gekoppelt sein, beispielsweise elektrisch leitfähig verbunden. Alternativ dazu kann eine Mehrzahl von Datenleitungen 108 mit einer Verstärkerschaltung 120 gekoppelt sein, beispielsweise elektrisch leitfähig verbunden.
In verschiedenen Ausführungsformen können alle der Datenleitungen 108 mit der Verstärkerschaltung 120 gekoppelt sein, beispielsweise elektrisch leitfähig verbunden. Während die räumliche Auflösung der Gammastrahlung eine einzelne Verstärkerschaltung 120 für jede der Datenleitungen 108 (oder allgemeiner für jedes räumliche Auflösungselement) erfordlich machen kann, kann die Bildung eines integrierten Signals für den gesamten Gammastrahlendetektor (d.h. ohne räumliche oder spektrale Auflösung) die Verwendung nur einer gemeinsamen Verstärkerschaltung 120 für alle der Datenleitungen 108 ermöglichen (falls der Widerstand 232 durch die Ohm’schen Widerstandswerte jeder der Datenleitungen gebildet wird, kann die gemeinsame Verstärkerschaltung 120 die Widerstände 232 ausschließen, mit anderen Worten können die Datenleitungen 108 kombiniert werden, um in die Verstärkerschaltung 120 einzutreten, nachdem ihre einzelnen Widerstände 232 passiert wurden). Eine solche Anordnung kann möglich sein, da ein Signal, das in den invertierenden Eingang „–„ des Verstärkers 236 eintritt, unmittelbar das Signal 238 an der Ausgangsleitung 230 veranlasst zu fallen, so dass die vom geladenen Teilchen verursachte Ladung durch den Widerstand 234 abfließen kann, anstatt rückwärts in die anderen Datenleitungen 108 zu fließen und verloren zu gehen. Wie in 3B gezeigt, kann sich der Gammastrahlendetektor 301 vom im Kontext mit 3A beschriebenen Gammastrahlendetektor 300 hauptsächlich durch eine Form seines Zwischengebiets 102b und seines n-dotierten Gebiets 102a unterscheiden, und indem er den Halbleiterdetektor 103 aufweist, der im Wandlerelement 104 eingebettet ist.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Zwischengebiet 102b des Gammastrahlendetektors 301 als Mehrzahl von Zwischengebieten 102b gebildet sein, beispielsweise als Mehrzahl von Zwischengebieten 102b, von denen jedes wenigstens teilweise rund um eines der Mehrzahl p-dotierter Gebiete 102c gebildet sein kann. Jedes der Mehrzahl von Zwischengebieten 102b kann als Mantel rund um die p-dotierten Gebiete 102c gebildet sein (oder eher als Hälfte eines Mantels, da jede Struktur des p-dotierten Gebiets 102c und des Zwischengebiets 102b, das in einer mantelartigen Weise rund um dieses gebildet ist, an einer Fläche des Substrats enden kann). Rund um die Mehrzahl von Zwischengebieten 102b kann eine Mehrzahl n-dotierter Gebiete 102a eingerichtet sein. Mit anderen Worten kann rund um jedes Zwischengebiet 102b der Zwischengebiete 102b ein n-dotiertes Gebiet 102a der Mehrzahl n-dotierter Gebiete 102a eingerichtet sein. Jedes von der Mehrzahl n-dotierter Gebiete 102a kann als Mantel rund um eines der Zwischengebiete 102b gebildet sein (oder eher als Hälfte eines Mantels, da jede Struktur des p-dotierten Gebiets 102c und des Zwischengebiets 102b, das in einer mantelartigen Weise rund um das p-dotierte Gebiet 102c gebildet ist, und des n-dotierten Gebiets 102a, das in einer mantelartigen Weise rund um das Zwischengebiet 102b gebildet ist, an einer Fläche des Substrats enden kann).
Mit anderen Worten können, anstatt dass nur die p-dotierten Gebiete 102c stegförmig gebildet sind, stegförmige Halbleiterdetektoren 103 gebildet werden, die eine Struktur einer Zwiebelschale (oder eher einer halben Zwiebelschale) aufweisen können, mit dem p-dotierten Gebiet 102c im Zentrum, dem Zwischengebiet 102b, das beispielsweise n⁺-dotiert sein kann, rund um dieses, und dem n-dotierten Gebiet 102a rund um das Zwischengebiet 102b.
Das Dielektrikum 106 kann auf oder über dem p-dotierten Gebiet 102c und über dem Zwischengebiet 102b gebildet sein, wie im Kontext mit 3A oben beschrieben, mit dem Unterschied, dass das Dielektrikum 106 des Gammastrahlendetektors 301 mit dem n-dotierten Gebiet 102a und mit dem Wandlerelement 104 in physischem Kontakt stehen kann. Die Datenleitung 108 kann über dem p-dotierten Gebiet 102c gebildet sein, wie im Kontext mit 3B beschrieben.
In verschiedenen Ausführungsformen kann eine Distanz D zwischen zwei angrenzenden n^–-dotierten Gebieten zwischen 50 µm und 500 µm betragen, beispielsweise in einem Bereich von 150 µm bis 250 µm, beispielsweise etwa 200 µm.
In verschiedenen Ausführungsformen können die Mehrzahl stegförmiger (oder streifenförmiger) Halbleiter-, z.B. Silicium-, Detektoren 103 mit den Datenleitungen 108, die Metall umfassen können, und das Dielektrikum 106, das eine Oxid-Schicht sein kann, wenigstens teilweise z.B. mittels der MEMS-Technologie getrennt werden. Eine teilweise Trennung durch die MEMS-Technologie kann durchgeführt werden, indem ein p-Typ-Substrat (in 3B oder 3C nicht gezeigt), in dem die Detektorsegmente 103 mit ihren n-Typ-Gebieten, z.B. n⁺-Gebieten, 102a in Kontakt mit dem p-Typ-Substrat gebildet werden können, einer heißen Basis ausgesetzt wird, während eine Spannung in einem Bereich von etwa 1 V bis etwa 2 V zwischen den n-Typ-Gebieten 102a als Anoden und einer Gegenelektrode eines inerten Metalls als Kathode in einer elektrochemischen Zelle angelegt wird. Diese Anordnung kann bewirken, dass ein Ätzprozess im p-Typ-Substrat auftritt, um 1 bis 2 µm vor einem pn-Übergang, z.B. einem metallurgischen pn-Übergang, zu stoppen, der durch eine Kontaktfläche zwischen dem p-Typ-Substrat und dem n-Typ-Gebiet 102a gebildet wird.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Wandlerelement 104 in Räume 352 zwischen den einzelnen Halbleiterdetektoren 103 gefüllt werden. Beispielsweise können die Räume 352 zwischen den einzelnen Halbleiterdetektoren 103 mit dem Wandlerelement 104, z.B. mit einem Material gefüllt, z.B. vollständig gefüllt werden, das ein Schwerelement umfasst oder daraus besteht, beispielsweise mit einer Wolfram-Nickel-Legierung W-Ni oder mit einer Gold-Blei-Legierung Au-Pb. In den Räumen 352 kann das Wandlerelement 104 eine Dicke Ct1 aufweisen, die ungefähr oder genau gleich sein kann wie die Dicke des Halbleiterdetektors 103.
Ein weiterer Teil des Wandlerelements 104 kann unter der Mehrzahl von Halbleiterdetektoren 103, beispielsweise als Schicht, gebildet sein. Der andere Teil des Wandlerelements 104 kann so gebildet sein, dass untere Flächen 350 der Mehrzahl von Halbleiterdetektoren 103 vom Wandlerelement 104 bedeckt sind. Der andere Teil des Wandlerelements 104 kann eine Dicke Ct2 aufweisen. Die Dicke Ct2 kann in einem Bereich von etwa 0,3 mm bis etwa 1,5 mm liegen, beispielsweise etwa 0,7 mm.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Mehrzahl von Halbleiterdetektoren 103 wenigstens teilweise im Wandlerelement 104 eingebettet sein. Als Beispiel kann die Mehrzahl von Halbleiterdetektoren 103 bis zum Dielektrikum 106 im Wandlerelement 104 eingebettet sein.
Als weiterer Weg der Beschreibung der Struktur des Gammastrahlendetektors 301 kann das Wandlerelement 104 angesehen werden, dass es (im Querschnitt) eine kammartige Struktur bildet, und die Mehrzahl von Halbleiterdetektoren 103 kann angesehen werden, dass sie in Öffnungen der kammartigen Struktur eingerichtet sind.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Mehrzahl von Halbleiterdetektoren 103 beispielsweise mittels des Dielektrikums 106 und/oder wenigstens einer Stützstruktur (nicht gezeigt) zusammengehalten werden, die beispielsweise über dem Dielektrikum 106 und/oder zwischen und/oder unter der Mehrzahl von Halbleiterdetektoren 103 eingerichtet sein kann.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Wandlerelement 104 auf der Mehrzahl zusammengehaltener Halbleiterdetektoren 103 beispielsweise mittels eines Eintauchens der Mehrzahl von Halbleiterdetektoren 103 in das Material gebildet werden, welches das Wandlerelement 104 bilden kann, beispielsweise ein Bad von geschmolzenem Material, welches das Wandlerelement 104 bilden kann. Die Halbleiterdetektoren 103 können beispielsweise in eine eutektische Mischung von 85 % Blei mit 15 % Gold, beispielsweise bei einer Temperatur von 215°C, eingetaucht werden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Wandlerelement 104 beispielsweise auf der Mehrzahl zusammengehaltener Halbleiterdetektoren 103 mittels einer Abscheidung gebildet werden, beispielsweise mittels einer Elektroabscheidung, beispielsweise mittels einer Elektroabscheidung von Gold, Blei, einer Mischung von Gold und Blei oder einer Mischung von Nickel und Wolfram.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Wandlerelement 104 beispielsweise auf der Mehrzahl zusammengehaltener Halbleiterdetektoren 103 mittels einer Schmelzsalzelektrolyse gebildet werden, bei der ein typischerweise wässeriger Elektrolyt, der für eine Elektroabscheidung verwendet wird, durch ein Schmelzsalz ersetzt werden kann, z.B. ein Schmelzmetallsalz. Die Schmelzsalzelektrolyse kann beispielsweise zur Bildung des Wandlerelements 104 verwendet werden, das Wolfram umfasst oder daraus besteht.
In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Raumwinkel vergrößert werden, unter dem die Compton-Elektronen und/oder die Paarbildungselektronen, die im Wandlerelement 104 generiert werden, in den Halbleiterdetektor 103 eintreten können.
In verschiedenen Ausführungsformen kann ein kleiner Bereich des Halbleiterdetektors 103, d.h. jedes der Halbleiterdetektoren 103, zu einer Abnahme eines Leckstroms führen, wodurch ein Rauschverhältnis verbessert werden kann.
Wie in 3C gezeigt, kann sich der Gammastrahlendetektor 302 vom in Kontext mit 3B beschriebenen Gammastrahlendetektor 301 hauptsächlich dadurch unterscheiden, dass die Mehrzahl von Halbleiterdetektoren 103 und die Verstärkerschaltung 120 gemeinsam im Wandlerelement 104 eingebettet sein können. Als Beispiel kann die Verstärkerschaltung 120 im Halbleiter 102 gebildet sein, aus dem auch die Mehrzahl von Halbleiterdetektoren 103 gebildet sein kann. Die Verstärkerschaltung 120 kann von einem angrenzenden Halbleiterdetektor 103 beispielsweise während des oben beschriebenen Prozesses getrennt werden, der die einzelnen Halbleiterdetektoren 103 trennt. Dann kann in verschiedenen Ausführungsformen das Wandlerelement 104 in den Räumen 352 und über den Rückseiten 350 einer kombinierten Struktur der Mehrzahl von Halbleiterdetektoren 103 und der Verstärkerschaltung 120 gebildet werden, beispielsweise wie oben im Kontext mit 3B beschrieben. Mit anderen Worten können die Mehrzahl von Halbleiterdetektoren 103 und die Verstärkerschaltung 120 zusammen im Wandlerelement 104 eingebettet werden. Die Mehrzahl von Halbleiterdetektoren 103, die Verstärkerschaltung 120 und das Wandlerelement 104 können eine monolithische Struktur bilden. Als Alternativ zur Bildung aus demselben Halbleiter 102 wie die Mehrzahl von Halbleiterdetektoren 103 kann die Verstärkerschaltung 120 getrennt gebildet werden. Die Verstärkerschaltung 120 kann beispielsweise mit der Mehrzahl von Halbleiterdetektoren 103 mittels des Dielektrikums 106 und/oder der wenigstens einen Stützstruktur (nicht gezeigt) zusammengehalten werden, die im Kontext mit 3B beschrieben wird, und dann kann das Wandlerelement 104, beispielsweise wie hier beschrieben, gebildet werden.
Wie in 3D gezeigt, kann sich der Gammastrahlendetektor 303 vom im Kontext mit 1B beschriebenen Gammastrahlendetektor 101 hauptsächlich in einer Form des Wandlerelements 104 unterscheiden.
Der Halbleiterdetektor 303 und die Verstärkerschaltung 120, egal ob sie getrennt oder in einer integrierten Weise gebildet sind, können in verschiedenen Ausführungsformen im Wesentlichen vollständig im Wandlerelement 104 eingeschlossen sein oder davon im Wesentlichen vollständig umgeben sein. Als Beispiel kann das Wandlerelement 104 rund um den Halbleiterdetektor 103 und die Verstärkerschaltung 120 so gebildet sein, dass es nur wenigstens eine Öffnung 460 für Teile belässt, die in den und/oder aus dem Hohlraum 462 führen müssen, der vom Wandlerelement gebildet wird, beispielsweise Durchlässse 460 für wenigstens eine Energieleitung 110 und/oder wenigstens eine Ausgangsleitung 230.
4 zeigt eine Tabelle, Tabelle 1, von Versuchsdaten, die mit einem Gammastrahlendetektor gemäß verschiedenen Ausführungsformen und einem Vergleichs-Gammastrahlendetektor erhalten werden.
In einer Versuchsumgebung wurde der Gammastrahlendetektor 300 getestet. Eine Gammastrahlenquelle, die eine Dosisrate von 92 µSv/h vorsieht, wurde in einer Distanz von 30 cm vom Gammastrahlendetektor 300 montiert.
Das Wandlerelement 104 war aus Wolfram-Schichten mit einer Dicke von 50 µm gebildet, die jeweils den Halbleiterdetektor 103 im Wesentlichen umgeben. Eine Gesamtdicke des Wandlerelements 104 wurde durch das Hinzufügen oder Entfernen von Wolfram-Schichten variiert. Ein Vergleichs-Halbleiterdetektor wurde erhalten, indem das Wandlerelement 104 entfernt wurde. Die in 4 gezeigte Tabelle 1 fasst das Ergebnis zusammen.
In der Tabelle kann sich ein Winkel auf einen Winkel zwischen einer der Hauptseiten des Halbleiterdetektors und einer Strahlungsrichtung der Gammastrahlenquelle beziehen (die zum Gammastrahlendetektor zeigen kann).
Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, kann eine optimale Dicke für das Wandlerelement 104 gefunden werden, wo eine Gesamtanzahl von Zählungen (die eine Summe der Zählungen für beide Winkel, 0° und 90°, sein kann) hoch und nahezu unabhängig vom Winkel ist, d.h. die Anzahl von Zählungen kann gleich oder nahezu gleich sein für einen Winkel von 0° und für einen Winkel von 90°. Für die Versuchsumgebung mit den Wolfram-Schichten kann die optimale Dicke des Wandlerelements 104 (der Wolfram-Schichten) nahe bei 100 µm liegen, da für eine Dicke von 100 µm die Gesamtanzahl von Zählungen 5180 beträgt, und die Zählungen für jeden der Winkel von einem Mittelwert der beiden Zählungen um weniger als 7 % abweichen. Für den Vergleichs-Gammastrahlendetektor ohne das Wandlerelement 104 (in der Tabelle sind „keine“ für die Anzahl von Wolfram-Schichten angegeben) kann die Gesamtanzahl von Zählungen (5200) hoch sein, aber der Vergleichs-Gammastrahlendetektor kann eine starke Abhängigkeit von seiner relativen Orienteriung in Bezug auf die Gammastrahlenquelle zeigen, da die Zählungen für die beiden Winkel von ihrem Mittelwert um etwa 28 % abweichen. Falls das Wandlerelement 104 relativ dick ist (200 µm, d.h. vier Wolfram-Schichten), wird die Gesamtanzahl von Zählungen geringfügig auf 4950 gesenkt. Ein Grund dafür kann sein, dass die Compton-Elektronen, die im Wandlerelement 104 gebildet werden können, aus dem Wandlerelement 104 nicht entweichen können. Ferner kann der Versuchs-Gammastrahlendetektor eine relativ starke Abhängigkeit von seiner relativen Orienteriung in Bezug auf die Gammastrahlenquelle zeigen, da die Zählungen für die beiden Winkel von ihrem Mittelwert um etwa 22 % abweichen. Hier ist die Zählrate höher, falls der Gammastrahlendetektor der Gammastrahlenquelle mit einer seiner Hauptseiten zugewandt ist. Da die Zählrate für den 90° Winkel für die 100 µm Wolfram-Schicht höher ist als für den 0° Winkel, kann die optimale Dicke der Wolfram-Schicht 104 für den Versuchs-Gammastrahlendetektor geringfügig niedriger sein als 100 µm.
In verschiedenen Ausführungsformen können einige Gammastrahlendetektor-Parameter, beispielsweise die Dicke des Wandlerelements 104, eine relative Anordnung des Wandlerelements 104 in Bezug auf den Halbleiterdetektor 103, Länge, Breite und/oder Dicke des Halbleiterdetektors 103, etc., experimentell oder mittels theoretischer Überlegungen optimiert werden. Dadurch kann die Zählrate und/oder die Orientierungsabhängigkeit des Gammastrahlendetektors optimiert werden. Beispielsweise kann die Orientierungsabhängigkeit nahezu oder im Wesentlichen eliminiert werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann dies erzielt werden, indem das Wandlerelement 104 symmetrisch in Bezug auf den Halbleiterdetektor 103 eingerichtet wird, beispielsweise entlang zwei gegenüberliegenden Seiten, z.B. Hauptseiten, des Halbleiterdetektors 103, oder beispielsweise den Halbleiterdetektor 103 im Wesentlichen vollständig umgebend (z.B. wie in 3D gezeigt).
5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Gammastrahlendetektors 400 gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
Teile, Parameter, Materialien, Funktionen, etc., des Gammastrahlendetektors 400 können ähnlich oder identisch sein mit jenen, die in Verbindung mit den oben beschriebenen Gammastrahlendetektoren beschrieben werden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Gammastrahlendetektor 400 den Halbleiterdetektor 103 umfassen, der, beispielsweise fixiert, auf einem Wandlerelement 104 montiert sein kann. Das Wandlerelement 104 kann auch als Gehäuse oder els Teilgehäuse dienen. Der Halbleiterdetektor 103 kann auf dem Wandlerelement 104 montiert sein, wobei eine seiner Hauptseiten einer der Hauptseiten des Wandlerelements 104 zugewandt ist. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Halbleiterdetektor 103 direkt auf dem Wandlerelement 104 montiert sein, beispielsweise mittels einer Haltestruktur (nicht gezeigt), beispielsweise mittels Klemmen, Schrauben oder dgl. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Halbleiterdetektor 103 auf dem Wandlerelement 104 mittels eines Fixiermittels (nicht gezeigt) montiert sein, beispielsweise kann der Halbleiterdetektor 103 an das Wandlerelement 104 geklebt oder geschweißt sein.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Verstärkerschaltung 120 auf dem Wandlerelement 104 montiert sein. Als Beispiel kann die Verstärkerschaltung 120 auf einer der Hauptseiten des Wandlerelements 104 montiert sein, beispielsweise auf derselben Hauptseite des Wandlerelements 104 wie der Halbleiterdetektor 103. Auf diese Weise können sowohl der Halbleiterdetektor 103 als auch die Verstärkerschaltung 120 wenigstens teilweise gegen unerwünschte elektromagnetische Strahlung abgeschirmt werden, während gleichzeitig das Wandlerelement 104 eine große Fraktion einer vollständigen Fläche des Halbleiterdetektors 103 bedecken kann, beispielsweise nahezu die Hälfte, beispielsweise zwischen 40 % und 50 %, der vollständigen Fläche des Halbleiters 103. Ein größere Abdeckung kann beispielsweise erhalten werden, indem eine Öffnung, z.B. ein Hohlraum, im Wandlerelement 104 gebildet wird und der Halbleiterdetektor 103 in die Öffnung platziert wird. Da die große Fraktion der Fläche des Halbleiterdetektors 103 vom Wandlerelement 104 bedeckt ist, kann ein entsprechend großer Raumwinkel gebildet werden, unter dem die schnellen, z.B. relativistischen Elektronen in den Halbleiterdetektor 103 eintreten können.
In verschiedenen Ausführungsformen kann, trotz der wenigstens teilweisen Abschirmung, die Verstärkerschaltung 120, beispielsweise in einem Fall eines hohen Strahlungspegels, beispielsweise eines hohen Gammastrahlungspegels, jedoch auch im Fall eines hohen Alpha-, Beta- oder anderen Teilchenstrahlungspegels oder elektromagnetischer Felder, einem Strahlungspegel ausgesetzt werden, der ihren Betrieb beeinflussen kann. Zur Senkung eines Risikos eines Ausfalls der Verstärkerschaltung 120 kann eine sogenannte strahlungsgehärtete Vorrichtung für die Verstärkerschaltung 120 verwendet werden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Energieversorgung 122, beispielsweise ein A/D-Wandler, der Energie mittels der Verbinder 572 empfangen und geeignete Energie liefern kann, beispielsweise eine Gleichspannung von unter 5 V, für den Halbleiterdetektor 103 mittels der ersten Elektrode 114 und der zweiten Elektrode 110, auf dem Wandlerelement 104 eingerichtet sein, beispielsweise auf derselben Seite des Wandlerelements 104 wie der Halbleiterdetektor 103.
In verschiedenen Ausführungsformen können der Halbleiterdetektor 103, die Verstärkerschaltung 120 und/oder die Energieversorgung 122 getrennt gebildet sein. Als Beispiel kann der Halbleiterdetektor 103 als Chip gebildet sein, die Verstärkerschaltung 120 kann als weiterer Chip gebildet sein, und die Energieversorgung 122 kann als dritter Chip gebildet sein.
Alternativ dazu können wenigstens zwei der drei Elemente monolithisch gebildet sein, beispielsweise können der Halbleiterdetektor 103, die Verstärkerschaltung 120 und die Energieversorgung 122 monolithisch gebildet sein. Als Beispiel können der Halbleiterdetektor 103 und die Verstärkerschaltung 120 auf demselben Chip gebildet sein, der Halbleiterdetektor 103 und die Energieversorgung 122 können auf demselben Chip gebildet sein, die Verstärkerschaltung 120 und die Energieversorgung 122 können auf demselben Chip gebildet sein, oder beispielsweise können alle drei auf demselben Chip gebildet sein.
In verschiedenen Ausführungsformen können die Verbinder 572 für die Energieversorgung und/oder der Datenausgangsverbinder im Wandlerelement 104 eingerichtet sein. Alternativ dazu können sie beispielsweise auf dem Wandlerelement gebildet sein.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Gammastrahlendetektor 400 und/oder eine beliebige der anderen Ausführungsformen der oben beschriebenen Gammastrahlendetektoren in einem Gehäuse eingerichtet sein. Das Gehäuse kann als Schutzhülle dienen, beispielsweise um den Gammastrahlendetektor gegen Staub, Licht, Feuchtigkeit, (sichtbares) Licht, etc. zu schützen. Alternativ dazu oder zusätzlich kann das Gehäuse Elemente mit einer zusätzlichen Funktionalität vorsehen, z.B. eine Anzeige zum Anzeigen der Zählwerte, Dosisrate, etc., eine Eingabevorrichtung zum Auswählen verschiedener Optionen, etc. Mit anderen Worten können in verschiedenen Ausführungsformen die oben beschriebenen Gammastrahlendetektoren als Stand-alone-Gammastrahlendetektor beispielsweise zur professionellen Verwendung, z.B. in einem Krankenhaus, dienen.
In verschiedenen Ausführungsformen können beliebige Ausführungsformen von oben beschriebenen Gammastrahlendetektoren in einer mobilen Kommunikationsvorrichtung eingerichtet sein, beispielsweise in einem Mobiltelefon, in einem Laptop, in einem Tablet, etc. Mit anderen Worten kann eine mobile Kommunikationsvorrichtung, z.B. ein Mobiltelefon, mit einer Fähigkeit zur Detektion von Gammastrahlung mittels eines Gammastrahlendetektors versehen werden, welcher Gammastrahlendetektor umfasst: ein Wandlerelement, das ausgelegt ist, ein schnelles, z.B. relativistisches Elektron freizusetzen, wenn sich ein Gammastrahl wenigstens teilweise durch das Wandlerelement bewegt; einen Halbleiterdetektor, der eingerichtet ist, das schnelle, z.B. relativistische Elektron zu empfangen, und ausgelegt ist, ein Signal zu erzeugen, wenn sich das schnelle, z.B. relativistische Elektron wenigstens teilweise durch den Halbleiterdetektor bewegt; und eine Verstärkerschaltung, die mit dem Halbleiterdetektor gekoppelt ist und ausgelegt ist, das vom Halbleiterdetektor erzeugte Signal zu verstärken, wobei das Wandlerelement eingerichtet ist, die Verstärkerschaltung wenigstens teilweise gegen elektromagnetische Strahlung abzuschirmen.
6 zeigt ein Verfahren 500 zur Bildung eines Gammastrahlendetektors gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
Das Verfahren 500 zur Bildung eines Gammastrahlendetektors kann umfassen: Bereitstellen eines Gammastrahlendetektors, umfassend ein Wandlerelement, das ausgelegt ist, ein Elektron, z.B. ein schnelles, z.B. relativistisches Elektron freizusetzen, wenn sich ein Gammastrahl wenigstens teilweise durch das Wandlerelement bewegt; und einen Halbleiterdetektor, wobei der Halbleiterdetektor umfassen kann: wenigstens ein p-dotiertes Gebiet; wenigstens ein n-dotiertes Gebiet; wenigstens ein Zwischengebiet, welches das wenigstens eine p-dotierte Gebiet vom wenigstens einen n-dotierten Gebiet trennt, wobei das wenigstens eine Zwischengebiet eine niedrigere Dotierungsmittelkonzentration aufweisen kann als das wenigstens eine p-dotierte Gebiet und das wenigstens eine n-dotierte Gebiet; wenigstens eine erste Elektrode, die mit dem wenigstens einen p-dotierten Gebiet in elektrischem Kontakt steht; und wenigstens eine zweite Elektrode, die mit dem wenigstens einen n-dotierten Gebiet in elektrischem Kontakt steht (in 5010).
Das Verfahren zur Bildung eines Gammastrahlendetektors kann ferner umfassen: Bereitstellen einer Versorgungsspannung für die erste Elektrode und einer zweiten Versorgungsspannung für die zweite Elektrode, wobei die zweite Versorgungsspannung höher sein kann als die erste Versorgungsspannung, und wobei eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Elektrode unter 5 V liegen kann (in 5020).
Das Verfahren zur Bildung eines Gammastrahlendetektors kann ferner umfassen: Detektieren eines Signals, das im Halbleiterdetektor verursacht wird, wenn sich das (z.B. schnelle, z.B. relativistische) Elektron wenigstens teilweise durch das Halbleitersubstrat bewegt (in 5030).
In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Gammastrahlendetektor vorgesehen werden. Der Gammastrahlendetektor kann ein Wandlerelement umfassen, das ausgelegt ist, ein Elektron, z.B. ein schnelles, z.B. relativistisches Elektron, freizusetzen, wenn sich ein Gammastrahl wenigstens teilweise durch das Wandlerelement bewegt. Der Gammastrahlendetektor kann ferner umfassen: einen Halbleiterdetektor, der eingerichtet ist, das (z.B. schnelle, z.B. relativistische) Elektron zu empfangen, und ausgelegt ist, ein Signal zu erzeugen, wenn sich das (z.B. schnelle) Elektron wenigstens teilweise durch den Halbleiterdetektor bewegt; eine Verstärkerschaltung, die mit dem Halbleiterdetektor gekoppelt ist und ausgelegt ist, das vom Halbleiterdetektor erzeugte Signal zu verstärken; und eine Abschirmung, die den Halbleiterdetektor und die Verstärkerschaltung im Wesentlichen vollständig umgibt. Im Gammastrahlendetektor kann das Wandlerelement wenigstens einen Teil der Abschirmung bilden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Halbleiterdetektor umfassen:
wenigstens ein p-dotiertes Gebiet; wenigstens ein n-dotiertes Gebiet; wenigstens ein Zwischengebiet, welches das wenigstens eine p-dotierte Gebiet vom wenigstens einen n-dotierten Gebiet trennt, wobei das wenigstens eine Zwischengebiet eine niedrigere Dotierungsmittelkonzentration aufweise kann als das wenigstens eine p-dotierte Gebiet und das wenigstens eine n-dotierte Gebiet; wenigstens eine erste Elektrode, die mit dem wenigstens einen p-dotierten Gebiet in elektrischem Kontakt steht; und wenigstens eine zweite Elektrode, die mit dem wenigstens einen n-dotierten Gebiet in elektrischem Kontakt steht.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Wandlerelement an wenigstens eine Fläche des Halbleiterdetektor angrenzen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Zwischengebiet ein intrinsisches Gebiet sein.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Zwischengebiet ein n-dotiertes Gebiet sein.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Gammastrahlendetektor ferner eine Energieversorgung umfassen, die ausgelegt ist, eine erste Versorgungsspannung der ersten Elektrode und eine zweite Versorgungsspannung der zweiten Elektrode zuzuführen, wobei die zweite Versorgungsspannung höher sein kann als die erste Versorgungsspannung.
In verschiedenen Ausführungsformen kann eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten und zweiten Elektrode unter 5 V liegen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Wandlerelement ein Schwermetall oder ein Oxid eines Schwermetalls umfassen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Wandlerelement wenigstens ein Material von einer Gruppe von Materialien umfassen, welche Gruppe besteht aus:
Blei; Wolfram; Molybdän; Gold; einer Blei-Gold-Legierung; einer Wolfram-Nickel-Legierung und einem Oxid der oben angegebenen Materialien.
In verschiedenen Ausführungsformen kann sich das Wandlerelement entlang wenigstens zwei Seiten des Halbleiterdetektors und der Verstärkerschaltung erstrecken.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Wandlerelement die vollständige Abschirmung bilden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Halbleiterdetektor eine Mehrzahl von Detektorsegmenten umfassen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann wenigstens ein Teil des Wandlerelements zwischen den Detektorsegmenten angeordnet sein.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Halbleiterdetektor wenigstens ein Material von einer Gruppe von Materialien umfassen, welche Gruppe besteht aus:
Silicium; Germanium; einem III-V-Verbindungshalbleiter; einem II-VI-Verbindungshalbleiter; und einem IV-IV-Verbindungshalbleiter.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Halbleiterdetektor als Chip ausgelegt sein.
In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Gammastrahlendetektor vorgesehen werden. Der Gammastrahlendetektor kann umfassen: ein Wandlerelement, das ausgelegt ist, Compton-Elektronen aus einfallender Gammastrahlung zu generieren; einen Halbleiterdetektor, der ausgelegt ist, die Compton-Elektronen zu detektieren und ein entsprechendes Detektorsignal zu erzeugen; eine Verstärkerschaltung, die ausgelegt ist, das Detektorsignal zu verstärken; und eine Abschirmung, die den Halbleiterdetektor und die Verstärkerschaltung im Wesentlichen vollständig umgibt, wobei das Wandlerelement wenigstens einen Teil der Abschirmung bildet.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Wandlerelement ein Schwermetall oder ein Oxid eines Schwermetalls umfassen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Wandlerelement die vollständige Abschirmung bilden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zur Detektion von Gammastrahlen vorgesehen werden, welches umfasst: Bereitstellen eines Gammastrahlendetektors, umfassend: ein Wandlerelement, das ausgelegt ist, ein Elektron freizusetzen, z.B. ein schnelles, z.B. relativistisches Elektron, wenn sich ein Gammastrahl wenigstens teilweise durch das Wandlerelement bewegt; und einen Halbleiterdetektor, wobei der Halbleiterdetektor umfassen kann: wenigstens ein p-dotiertes Gebiet; wenigstens ein n-dotiertes Gebiet; wenigstens ein Zwischengebiet, welches das wenigstens eine p-dotierte Gebiet vom wenigstens einen n-dotierten Gebiet trennt, wobei das wenigstens eine Zwischengebiet eine niedrigere Dotierungsmittelkonzentration aufweisen kann als das wenigstens eine p-dotierte Gebiet und das wenigstens eine n-dotierte Gebiet; wenigstens eine erste Elektrode, die mit dem wenigstens einen p-dotierten Gebiet in elektrischem Kontakt steht; und wenigstens eine zweite Elektrode, die mit dem wenigstens einen n-dotierten Gebiet in elektrischem Kontakt steht;
Bereitstellen einer Versorgungsspannung für die erste Elektrode und einer zweiten Versorgungsspannung für die zweite Elektrode, wobei die zweite Versorgungsspannung höher sein kann als die erste Versorgungsspannung, und wobei eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Elektrode unter 5 V liegen kann; und Detektieren eines Signals, das im Halbleiterdetektor verursacht wird, wenn sich das (z.B. schnelle, z.B. relativistische) Elektron wenigstens teilweise durch das Halbleitersubstrat bewegt.
Obwohl die Erfindung insbesondere in Bezug auf spezifische Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, ist es für Fachleute klar, dass verschiedene Änderung in Form und Detail daran vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken und Umfang der Erfindung abzuweichen, wie durch die beigeschlossenen Ansprüche definiert. Der Umfang der Erfindung wird durch die beigeschlossenen Ansprüche angezeigt, und alle Änderungen, die in die Bedeutung und den Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, sollen daher umfasst sein.
Verschiedene Aspekte der Offenbarung sind für Vorrichtungen vorgesehen, und verschiedene Aspekte der Offenbarung sind für Verfahren vorgesehen. Es ist klar, dass Grundeigenschaften der Vorrichtungen auch für die Verfahren gelten, und umgekehrt. Daher kann der Kürze halber eine doppelte Beschreibung solcher Eigenschaften weggelassen worden sein.

Claims

Gammastrahlendetektor (100), aufweisend: ein Wandlerelement (104), das ausgelegt ist, ein Elektron freizusetzen, wenn sich ein Gammastrahl wenigstens teilweise durch das Wandlerelement (104) bewegt; einen Halbleiterdetektor (103), der eingerichtet ist, das Elektron zu empfangen, und ausgelegt ist, ein Signal zu erzeugen, wenn sich das Elektron wenigstens teilweise durch den Halbleiterdetektor (103) bewegt; eine Verstärkerschaltung (105), die mit dem Halbleiterdetektor (103) gekoppelt ist und ausgelegt ist, das vom Halbleiterdetektor (103) erzeugte Signal zu verstärken; und eine Abschirmung, die den Halbleiterdetektor (103) und die Verstärkerschaltung (105) im Wesentlichen vollständig umgibt, wobei das Wandlerelement (104) wenigstens einen Teil der Abschirmung bildet.
Gammastrahlendetektor (100) nach Anspruch 1, wobei der Halbleiterdetektor (103) umfasst: wenigstens ein p-dotiertes Gebiet; wenigstens ein n-dotiertes Gebiet; wenigstens ein Zwischengebiet, welches das wenigstens eine p-dotierte Gebiet vom wenigstens einen n-dotierten Gebiet trennt, wobei das wenigstens eine Zwischengebiet eine niedrigere Dotierungsmittelkonzentration aufweist als das wenigstens eine p-dotierte Gebiet und das wenigstens eine n-dotierte Gebiet; wenigstens eine erste Elektrode, die mit dem wenigstens einen p-dotierten Gebiet in elektrischem Kontakt steht; und wenigstens eine zweite Elektrode, die mit dem wenigstens einen n-dotierten Gebiet in elektrischem Kontakt steht.
Gammastrahlendetektor (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Wandlerelement (104) an wenigstens eine Fläche des Halbleiterdetektors (103) angrenzt.
Gammastrahlendetektor (100) nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Zwischengebiet ein intrinsisches Gebiet ist.
Gammastrahlendetektor (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Zwischengebiet ein n-dotiertes Gebiet ist.
Gammastrahlendetektor (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, ferner umfassend: eine Energieversorgung, die ausgelegt ist, eine erste Versorgungsspannung der ersten Elektrode und eine zweite Versorgungsspannung der zweiten Elektrode zuzuführen, wobei die zweite Versorgungsspannung höher ist als die erste Versorgungsspannung; wobei optional eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten und zweiten Elektrode unter 5 V liegt.
Gammastrahlendetektor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Wandlerelement (104) ein Schwermetall oder ein Oxid eines Schwermetalls umfasst.
Gammastrahlendetektor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Wandlerelement (104) wenigstens ein Material von einer Gruppe von Materialien umfasst, wobei die Gruppe besteht aus: Blei; Wolfram; Molybdän; Gold; einer Blei-Gold-Legierung; einer Wolfram-Nickel-Legierung und einem Oxid der oben angegebenen Materialien.
Gammastrahlendetektor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei sich das Wandlerelement (104) entlang wenigstens zwei Seiten des Halbleiterdetektors (103) und der Verstärkerschaltung (105) erstreckt.
Gammastrahlendetektor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Wandlerelement (104) die vollständige Abschirmung bildet.
Gammastrahlendetektor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Halbleiterdetektor (103) eine Mehrzahl von Detektorsegmenten umfasst; wobei optional wenigstens ein Teil des Wandlerelements (104) zwischen den Detektorsegmenten angeordnet ist.
Gammastrahlendetektor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Halbleiterdetektor (103) wenigstens ein Material von einer Gruppe von Materialien umfasst, wobei die Gruppe besteht aus: Silicium; Germanium; einem III-V-Verbindungshalbleiter; einem II-VI-Verbindungshalbleiter; und einem IV-IV-Verbindungshalbleiter.
Gammastrahlendetektor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Halbleiterdetektor (103) als Chip ausgelegt ist.
Gammastrahlendetektor (100), umfassend: ein Wandlerelement (104), das ausgelegt ist, Compton-Elektronen aus einfallender Gammastrahlung zu generieren; einen Halbleiterdetektor (103), der ausgelegt ist, die Compton-Elektronen zu detektieren und ein entsprechendes Detektorsignal zu erzeugen; eine Verstärkerschaltung (105), die ausgelegt ist, das Detektorsignal zu verstärken; und eine Abschirmung, die den Halbleiterdetektor (103) und die Verstärkerschaltung (105) im Wesentlichen vollständig umgibt, wobei das Wandlerelement (104) wenigstens einen Teil der Abschirmung bildet.
Gammastrahlendetektor (100) nach Anspruch 14, wobei das Wandlerelement (104) ein Schwermetall oder ein Oxid eines Schwermetalls umfasst.
Gammastrahlendetektor (100) nach Anspruch 14 oder 15, wobei das Wandlerelement (104) die vollständige Abschirmung bildet.
Verfahren zur Detektion von Gammastrahlen, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Gammastrahlendetektors (100), umfassend: ein Wandlerelement (104), das ausgelegt ist, ein Elektron freizusetzen, wenn sich ein Gammastrahl wenigstens teilweise durch das Wandlerelement (104) bewegt; und einen Halbleiterdetektor (103), wobei der Halbleiterdetektor (103) umfasst: wenigstens ein p-dotiertes Gebiet; wenigstens ein n-dotiertes Gebiet; wenigstens ein Zwischengebiet, welches das wenigstens eine p-dotierte Gebiet vom wenigstens einen n-dotierten Gebiet trennt, wobei das wenigstens eine Zwischengebiet eine niedrigere Dotierungsmittelkonzentration aufweist als das wenigstens eine p-dotierte Gebiet und das wenigstens eine n-dotierte Gebiet; wenigstens eine erste Elektrode, die mit dem wenigstens einen p-dotierten Gebiet in elektrischem Kontakt steht; und wenigstens eine zweite Elektrode, die mit dem wenigstens einen n-dotierten Gebiet in elektrischem Kontakt steht; Bereitstellen einer Versorgungsspannung für die erste Elektrode und einer zweiten Versorgungsspannung für die zweite Elektrode, wobei die zweite Versorgungsspannung höher ist als die erste Versorgungsspannung, und wobei eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Elektrode unter 5 V liegt; Detektieren eines Signals, das im Halbleiterdetektor (103) verursacht wird, wenn sich das Elektron wenigstens teilweise durch das Halbleitersubstrat bewegt.