DE1803140B2

DE1803140B2 - Halbleitervorrichtung zum strahlungsnachweis

Info

Publication number: DE1803140B2
Application number: DE19681803140
Authority: DE
Inventors: Jacob Anne; Dieperink Johan Hendrik; Mulder Karel; Amsterdam Denboer
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1967-10-25
Filing date: 1968-10-15
Publication date: 1976-05-20
Also published as: DE1803140A1; AT308920B; NL6714455A; US3624399A; SE353966B; BE722790A; GB1178199A; JPS4536061B1; FR1599807A; CH487415A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung zum Strahlungsnachweis, die eine einkristalline Halbleiterscheibe enthält, deren einander gegen· überliegende Flächen mit Elektroden versehen sind, wobei eine der Elektroden einen gleichrichtenden Übergang mit der Scheibe bildet, der durch eine zwischen den Elektroden angelegte Polarisationsspannung in Sperrichtung polarisiert ist, während die andere Elektrode als leitender Anschluß für die Scheibe dient, und bei der mindestens eine Elektrode in mehrere parallel verlaufende voneinander getrennte Elektrodenstreifen unterteilt ist. Eine derartige Unterteilung mindestens einer der Elektroden wird verwendet, um die Stelle, an der die Strahlung einfällt, bestimmen zu können.

Mit solchen, aus IEEE Transactions on Nuclear Science, NS-13 (1966) 3, 208-213 bekannten Detektoren können verschiedenartige Messungen sowohl an Teilchenstrahlung als auch an elektromagnetischer Strahlung durchgeführt werden. Es kann z. B. außer der Steile der einfallenden Strahlung ihre Intensität und/oder Winkelverteilung gemessen werden, aber auch z. B. die Energie oder die Masse der zu detektierenden Teilchen der Strahlung.

Es ist bekannt, daß bei derartigen Vorrichtungen ein elektrisches Übersprechen zwischen den Elektrodenstreifen auftreten kann, d. h. daß neben dem gewünschter. Signal an einem Elektrodenstreifen kleinere parasitäre Signale an anderen Elektrodenstreifen wahrgenommen werden. Dabei hat es sich gezeigt, daß die Größe der parasitären Signale auch von der Dicke der Halbleiterscheibe des Detektors abhängig ist, und daß insbesondere bei Detektoren mit dünner Halbleiterscheibe, wie (dE/dx)-Detektoren, ein sehr starkes Übersprechen auftritt. Die Abhängigkeit von der Scheibendicke ist die Folge einer kapazitiven Kopplung zwischen den beiden auf den einander gegenüberliegenden Seiten der Scheiben befindlichen Elektroden.

Um das elektrische Übersprechen über diese kapazitive Kopplung zu beseitigen, wurde bereits vorgeschlagen, statt des Potentials eines einzigen Eiektrodenstreifens den Potentiaiunterschied zwischen zwei Elektrodenstreifen als das die Information enthaltende Signal am Detektor abzunehmen. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, daß die Elektrodenstreifen in Zweiergruppen unterteilt werden, wobei zwischen den beiden Elektrodenstreifen jeder Gruppe die Primärwicklung eines kleinen Transformators geschattet ist. wodurch an der Sekundärseite dieses Transformators nur die Differenzspannung der betreffenden beiden Elektrodenstreifen erscheint. Meistens wird dabei die Polarisationsspannung je Gruppe an die Mittenanzapfungen der Transformatoren gelegt.

Tatsächlich läßt sich auf die beschriebene Weise das Übersprechen mit dünner Halbleiterscheibe auf einen Pegel herabsetzen, der auch bei Detektoren mit einer Halbleiterscheibe derartiger Dicke, daß die erwähnte kapazitive Kopplung keine bedeutende Rolle spielen kann, wahrgenommen wird.

In der Praxis stellt es sich heraus, daß das elektrische Übersprechen sowohl bei einer dünnen Halbleiterscheibe, bei der der durch die erwähnte kapazitive Kopplung gelieferte Beitrag beseitigt ist, als auch be; einer dicken Halbleiterscheibe für viele Messungen dennoch unerwünscht groß ist. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Halbleitervorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der das elektrische Übersprechen weiter herabgesetzt ist.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß eine derartige Herabsetzung des Übersprechpegels durch die Anwendung von Hilfsspannungen zwischen benachbarten Elektrodenstreifen der gleichen Elektrode erzielbar ist. Die genannte Aufgabe wird daher erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß wenigstens zwischen zwei benachbarten Elektrodenstreifen der gleichen Elektrode zur Unterdrückung des elektrischen Übersprechens eine Hilfsspannung angelegt ist, die klein gegenüber der Polarisationsspannung ist.

Die Erfindung ist insbesondere bei solchen Halbleitervorrichtungen von Vorteil, die einen Detektor enthalten, dessen beide Elektroden in mehrere parallel verlaufende voneinander getrennte Elektrodenstreifen unterteilt sind, wobei die Elektrodenstreifen auf einer Seite der Scheibe die auf der anderen Seite der Scheibe kreuzen. Die Polarisationsspannurig hat bei diesen Halbleitervorrichtungen häufig einen Wert, bei dem die am in der Sperrichtung polarisierten gleichrichtenden Übergang gebildete Verarmungsschicht den Raum zwischen den beiden Elektroden völlig oder nahezu völlig

ausfüllt.

Solche Dctekuirc, eignen sich sehr gut für Anwendungen, bei denen eine Ortsbestimmung der zu detektierenden Strahlung in /wci Koordinaten wichtig iss. und bei einer derartigen Ortsbestimmung ist offensichtlieh die Unterdrückung lies Übersprechens sehr erwünscht. Außerdem sind dies Detektoren infolge der Tatsache, daß praktisch der ganze Raum zwischen den Elektroden als empfindlicher Raum benutzt werden kann, geeignet zur Verwendung als (dE/d„)-Detektor. ₎₀ In diesem Falle weiden diese Detektoren vorzugsweise mit -~.:ner dünnen Halbleiterscheibe ausgeführt, wodurch die wahrzunehmenden Signale klein sind, so daß die Unterdrückung des Übersprechen extra wichtig ist.

Die Anv encVung der Erfindung erweist sich als be- is sonders vorteilhaft in den Füllen, in denen der gleichrichtende Übergang vom Sehouky-Typ ist

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens c;e mit der Haib!eiierv.:heibi; den sleichrichtender. übergang bildende Hkk-'ode in Streifen unterteilt. :- unc es wird iingeacinei de; Tatsache, ob die andere Elektrode in Streifen unterteilt ist. das Überspreche:\ bereits größtenteils unterdrückt, wenn die Hilfsspan nungen zwischen der, Hiektrodenstreifen der den gleichrichtenden übergang bildenden Eie?.;rode anee- :s icgt smd.

Es empfiehlt sich, beim Anlegen der Hiiisspannung dafür zu sorgen, daß der Wen der Spannungsdifferenz zwischen zwei beliebig gewählten Elektrodenstreifen der gleichen Elektrode beschränkt bleibt. Vorzugsweise ic ist diese Spannungsdifferenz üicht großer a.H die Hilfsspannung.

Eine besondere wichtige Weiterbildung der Erfindung bei einer Vorrichtung, bei der die zur gleichen Elektrode gehörenden Elektrodenstreifen wenigstens teilweise in Zweiergruppen mit Mitteln verbunden sind, durch die die Differenz der elektrischen Signale der beiden Streifen an einer Gruppe abgenommen werden kann, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspannung zwischen verschiedenen Gruppen angelegt ist. Hierbei werden dadurch, daß die elektrischen Signale zwischen den beiden Streifen einer Gruppe abgenommen werden, die parasitären Signale infolge der erwähnten kapazitiven Kopplung beseitigt, während das restliche Übersprechen durch die angelegte Hilfsspannung unterdrückt wird.

Vorteilhaft kann eine Hilfsspann'ing alternierender Natur Verwendung finden, wodurch Einflüsse der angelegten Hilfsspannung auf die Eigenschaften der Elektrodenstreifen zeitlich gleichmäßig über sämtliche Elektrodenstreifen verteilt werden.

Die Erfindung wird in Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im folgenden näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 schematisch eine Halbleitervorrichtung.

Fig.2 schematisch s:ine andere Halbleitervorrichtung.

F i g. 1 zeigt eine Halbleitervorrichtung mit einer Einkristallscheibe 1 aus Halbleitermaterial, deren beide größere einander gegenüberliegende Flächen mit Elektroden 2 bzw. 16 versehen sind, v/obei wenigstens die Elektrode 16 einen gleichrichienden Übergang mit der Scheibe 1 bildet und zw sehen den Elektroden 2 und Ifmit H;!fe einer Spanrungsquelle 7 eine Poia->."-.onsspannung angelegt ist. worci der gleichrichtende; ..her- (■■_ gang in. der Sperrich-.ing polarisiert is' uno die andere Elektrode 2 einen leitenden übergang mit der Scheibe bilde*, während die Electrode 16 ir, mehrere oarallei:- voneinander getrennte Elektrodenstreifen 3, 4, 5 und 6 unterteilt ist

Zwischen mindestens zwei benachbarten Elektrodenstreifen, beim vorliegenden Ausführungsbeispiel zwischen den Elektrodenstreifen 3 und 4,4 und 5 bzw. 5 und 6. ist zur Unterdrückung des elektrischen Übersprechens zwischen den Elektrodenstreifen eine Hilfsspannung angelegt, die klein gegenüber der Polarisationsspannung ist. Diese Hilfsspannung wird durch die Spannungsquelle 8 geliefert, die auf übliche Weise mittels eines Kondensators 17 entkoppelt werden kann. Dabei ist die Hilfsspannung so angelegt, daß die Potentialdifferenz zwischen zwei der Elektrodenstreifen 3. 4, 5 und 6 höchstens gleich der Hilfsspannung ist. Hierdurch wird erreicht, daß die Potentialdifferenzen zwischen der Elektrode 2 einerseits und jedem der Elektrodenstreifen 3, 4, 5 und 6 andererseits praktisch gleich sind.

Die GröÖe der Hilfsspannung. die fur eine gute Unterdrückung des Ubersprecnens erforderlich ist, erwtisi sich als abhängig vom angewendeten Detektor. Dabei spieien z. B. das Halbleitermaterial und der Abstand zwischen den Elektrodenstreifen eine Rolle. Es besieht die Vermutung, daß das Übersprechen über Oberflächenkanäle erfolgt, die durch die Anlegung der Hii'sspannung gesperrt werden. Übrigens kann für jeden Fail die gewünschte Hilfsspannung vom Fachmann auf einfache Weise experimentell ermittelt werden. Bei den üblichen Detektoren ist der Abstand zwischen den Elektrodenstreifen meistens kleiner als i mm und vorzugsweise von der Größenordnung von 100 ,um. Die erforderliche Hilfsspannung liegt üblicherweise reichlich unterhalb des Pegels, bei dem ein Durchschlag zwischen benachbarten Elektrodenstreifen auftritt. In der Praxis werden meistens mit einer Hilfsspannung in der Größenordnung von 1 V gute Ergebnisse erzielt. Die Poiaiisationsspannung liegt in der Praxis üblicherweise zwischen etwa 10 V und etwa 1 kV. Die Hilfsspannung ist klein gegenüber der Polarisationsspannung und jedenfalls so gewählt, daß durch sie das elektrische Feld, das durch die Polarisationsspannung im Halbleiterkörper erzeugt wird, praktisch nicht beeinträchtigt wird.

Die Scheibe 1 kann aus n-leiiendem Silicium mit einem spezifischen Widerstand von 10 000 Ohm · cm bestehen, und sie ist 1000 μΐη dick. Die größeren Flächen der Scheibe 1 sind z. B. rechteckig mit Abmessungen von 3 χ 1 cm. Die Elektroden 2 und 16 können aus Gold bestehen und auf eine übliche Weise auf der Halbleiterscheibe 1 angebracht sein. Die Streifen 3, 4. 5 und 6 sind z. B. 425 μπι breit, während ihr Abstand voneinander etwa 75 μπι beträgt. Die Elektrode 16 ist dabei z. B. in etwa 50 Elektrodenstreifen unterteilt Davon sind in der Figur vier schematisch angegeben.

Der in der Sperrichtung polarisierte Übergang zwischen der Halbleiterscheibe 1 und der Elektrode 16 ist vom Schottky-Typ. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die Polarisationsspan.iung etwa 200 V und die Hilfsspannung etwa 1 V.

Auf übliche Weise können die elektrischen Signale für die Ortsbestimmung an passend bemessenen Impedanzen 9, 10, 11 und 12 abgenommen werden. Soll außerdem z. B. auch die im Detektor absorbierte Energie gemessen werden, so kann cen Klemmen 14 und 15 tinei der impedanz 13 er, .vpnn'; entnommen werden, das z. R. einein Laoun,esve-:-tS"ker und ferner üblichen Meß- und/oder Regisisiery;;'3isn zugeführt werden kann.

Ais zweite·· Ausführungsb-i'sniei wird an Hand der

F i g. 2 ein (dE/dx)-Detektor beschrieben. Solche Zähler Elektrode von etwa 2 · 10-4 g/cm² aufgedampft, die in mehrere parallele voneinander getrennte Streifen 21 elektrisch geladener Teilchen, wie Λ-Teilchen, Deuteronen und Protonen.

Der (dE/dx)-Detektor nach F i g. 2 enthält eine Siliciumscheibe 20, die einen Durchmesser von etwa 25 mm haben kann. Die Dicke der Scheibe beträgt z. B. 300 μίτι. Auf die obere Fläche der Scheibe, die n-leitend ist und einen spezifischen Widerstand von etwa 5000 Ohm cm hat, ist eine aus reinem Gold bestehende Elektrode von etwa 2 · ΙΟ"⁴ g/cm² aufgedampft, die in mehrere parallele voneinader getrennte Streifen 21 unterteilt ist. Auf die untere Fläche der Scheibe ist eine in Streifen 22 unterteilte Elektrode aus Aluminium aufgedampft, wobei die Streifen 22 die Streifen 21 kreuzen. Die Streifen 22 von z. B. 5 ■ 10~⁵ g/cm² sind in der Figur durch gestrichelte Linien dargestellt.

Auf dem hochohmigen Silicium bildet die aus Gold bestehende Elektrode einen Übergang vom Schottky-Typ. Dieser Übergang ist mit Hilfe einer Spannungsquelle 23, die in den mit den Streifen 21 und den Streifen 22 verbundenen Kreis geschaltet ist, in der Sperrrichtung polarisiert. Dabei bilden die Streifen 22 einen leitenden Übergang mit der Scheibe. Bei der gewählten Polarisationsspannung von 150 V füllt die an den Streifen 21 gebildete Verarmungsschicht praktisch den ganzen Raum zwischen den Elektroden aus.

Die Elektrodenstreifen 21 und 22 sind z.B. 1,3mm breit und der Abstand zwischen zwei benachbarten Streifen beträgt etwa 100 μπι.

Für die Elektrodenstreifen 21a und 21 b ist in der Figur angegeben, wie die Streifen in Zweiergruppen mit kleinen Transformatoren 25 bzw. 26 verbunden sind. Die übrigen Elektrodenstreifen 21 sind völlig entsprechend angeschlossen. Diese Anschlüsse sind jedoch der Übersichtlichkeit halber nur schematisch durch Blöcke 27 angegeben. Die Primärwicklung des Transformators

25 ist mit zwei Streifen 21a, die des Transformators 26 mit zwei Streifen 21 b verbunden. Die Mittenanzapfungen der Primärwicklungen der Transformatoren 25 und

26 sind mit der Spannungsnuelle 23 verbunden. Beim Transformator 26 ist in diese Verbindung mit der Spannungsquelle 23 eine Spannungsquelle 28 in Reihe eingefügt. Erforderlichenfalls kann eine Kapazität 36 parallel zur Spannungsquelle 28 geschaltet werden. Mit Hilfe der Spannungsquelle 28 ist eine Hilfsspannung von etwa 1 V angelegt Dabei ist für die beiden Streifen einer Gruppe 21a ebenso wie für die Streifen der Gruppe 21 b das angelegte Potential das gleiche, während die Hilfsspannung zwischen der Gruppe 21a und der Gruppe 21 b angelegt ist Auf der Sekundärseite der Transformatoren 25 und 26 können die elektrischen Signale, die zwischen den Streifen 21a bzw. zwischen den Streifen 216 auftreten, abgenommen und z. B. über einen Impulsverstärker weiteren Geräten zugeführt werden. Dieser Teil der Vorrichtung ist für die Beschreibung der.Erfindung nicht wesentlich und ist in der Figur nicht dargestellt.

Die den Transformatoren 25 und 26 entnommenen elektrischen Signale enthalten die Information über den Ort, wo die Teilchen der einfallenden Strahlung den Detektor treffen.

Üblicherweise wird das (dE/dx)-Signal an einem Widerstand 29 abgenommen, der in Reihe mit der Spannungsquelle 23 in den die Streifen 21 und die Streifen 22 verbindenden Kreis geschaltet ist. Dieses (dE/dx)-Signal enthält die Information über die Energie, die das betreffende Teilchen auf seinem Weg durch

ίο den Detektor an diesen abgegeben hat.

Werden beim geschilderten (dE/dx)-Detektor keine Vorkehrungen zur Beschränkung des Übersprechens getroffen, so können parasitäre Signale mit einer Größe von bis zu 30% der Größe des gewünschten Signals

auftreten. Nachdem auf die übliche Weise das Übersprechen über die kapazitive Kopplung beseitigt worden ist, ist dieser Prozentsatz auf etwa 10% verringert. Wird z. B. zwischen den Goldstreifen eine Hilfsspannung angelegt, so ergibt sich eine weitere Verbesserung bis auf etwa 4%.

Es sei bemerkt, daß mit Hilfe einer Gleichspannung eine wirkungsvolle Unterdrückung des Übersprechens erzielbar ist. Oft wird jedoch aus Symmetrieerwägungen eine Hilfsspannung alternierender Natur bevorzugt, die während eines Versuchs häufig das Vorzeichen ändert. Auf diese Weise werden etwaige Einflüsse der Hilfsspannung auf die Eigenschaften der Elektrodenstreifen zeitlich gleichmäßig über die Eelektrodenstreifen verteilt. Zu diesem Zweck kann als Spannungs-

quelle 28 eine Quelle Anwendung finden, die eine Wechselspannung mit einer Amplitude von etwa 1 V liefert. Vorzugsweise wird eine Rechteckspannung benutzt, weil der Vorzeichenwechsel dabei in einem sehr kurzen Teil der Periode erfolgt.

Die Verwendung einer alternierenden Hilfsspannung bedeutet aber, daß im Elektrodensystem auch ein Ladungstransport auftritt, der nicht durch detektierte Strahlung verursacht wird.
Im vorliegenden Beispiel sind die Elektrodenstreifen einer Gruppe, z. B. die Streifen 21a, benachbarte Streifen. Die Einteilung in Zweiergruppen kann jedoch auch auf andere Weise statifinden. Es können z. B. zwei benachbarte Elektrodenstreifen stets zu verschiedenen Gruppen gehören, oder es kann die betreffende Elektrode in zwei Hälften unterteilt werden, wobei jeweils ein Elektrodenstreifen der einen Hälfte und ein Streifen der anderen Hälfte zu einer Gruppe zusammengefaßt werden.

Die Erfindung ist offensichtlich nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern für den Fachmann sind im Rahmen der Erfindung manche Abänderungen möglich. Es können z. B. andere Halbleitermaterialien, wie Ge, sowie andere Elektrodenmaterialien, wie Magnesium und Platin, benutzt werden. Auch können die elektrischen Signale zwischen zwei Elektrodenstreifen auf eine andere Weise als über einen Transformator, z.B. über einen Differenzverstärker, abgenommen werden. Die Abmessungen des Detektors, die Streirenzahi und z. B. auch der spezifische Widerstand

des Halbleitermaterials können geändert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Halbleitervorrichtung zum Strahlungsnachweis, (Sie eine einkristalline Halbleiterscheibe enthält, deren einander gegenüberliegende Flächen mit Elektroden versehen sind, wobei eine der Elektroden einen gleichrichtenden Übergang mit der Scheibe bildet, der durch eine zwischen den Elektroden angelegte Polarisationsspannung in Sperrichtung polarisiert ist, während die andere Elektrode als leitender Anschluß für die Scheibe dient, und bei der mindestens eine Elektrode in mehrere parallel verlaufende voneinander getrennte Elektrodenstreifen unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwischen zwei benachbarten Elektrodenstreifen der gleichen Elektrode zur Unterdrükkung des elektrischen Übersprechens eins Hiifsspannung angelegt ist, die klein gegenüber der PoIarisanonsspannung ist. 2c

2. Vorrichtung nach Anspruch '. dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die mit der Halbleiterscheibe den gleichrichtenden Übergang bildende Elektrode in Streifen unterteilt ist und die Hiifsspannungen zwischen diesen Elektrodenstreifen angelegt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Poientitaldifferenz zwischen zwei Streifen einer Elektrode höchstens gleich der Hilfsspannung ist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, bei der die zu einer gleichen Elektrode gehörenden Elektrodenstreifen wenigstens teilweise in Zweiergruppen mit Mitteln verbunden sind, mittels deren die Differenz der elektrischen Signale der beiden Streifen einer Gruppe abgenommen werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspannung zwischen verschiedenen Gruppen angelegt ist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspannung einen zeitlich alternierenden Charakter hat.