DE1966493A1

DE1966493A1 - Festkoerperdetektor

Info

Publication number: DE1966493A1
Application number: DE19691966493
Authority: DE
Inventors: Dale R Koehler
Original assignee: Bulova Watch Co Inc
Current assignee: Bulova Watch Co Inc
Priority date: 1968-03-21
Filing date: 1969-03-21
Publication date: 1973-03-08
Also published as: FR2004447A1; JPS4830910B1; DE1914569C3; DE1914569B2; US3582656A; CH427269A4; CH528109A; DE1914569A1; FR2004447B1

Description

Dipl.-fng. Heinz lesser, Patentanwalt D—8 München 81, Cosimaslra&e 81 · Telefon: (0811) 983820

Bulova Watch Co. Inc. .L 8645a/Gg/ho«

New York (USA) .

Festkörperdetektor

(Ausscheidung aus Patentanmeldung P 19 14 569.8-31)

Die Erfindung betrifft einen Festkörperdetektor, der für die Erfassung von Strahlen insbesondere nuklearen Ursprunges eingerichtet und vorzugsweise für ein radioaktives Zeitnormal bestimmt ist.

Bei den bisher bekannten Festdetektoren wird an eine Zone niederer Leitfähigkeit ein elektrisches Feld angelegt. Die Zone niederer Leitfähigkeit ist die Sperrschicht des Detektors an dem mit einer Sperrspannung beaufschlagten Diodenanschluss. Wenn das Haltleitermaterial des Detektors von einem Ladungsteilchen durchdrungen wird, dann werden in ihm paarweise Elektronenlöcher erzeugt. Diese Ladungen weifen durch das elektrische Feld getrennt, wodurch sich ein elektrisches Signal ergibt, welches einem Messystem zur Auswertung der in den empfangenen Strahlen enthaltenen . Informationen übermittelt werden kann.

Die bekannten Detektoren weisen als Hauptnachteil eine insbesondere gegenüber Strahlungsteilchen geringerer Energie sehr niedrige Ansprechbarkeit oder Empfindlichkeit auf, denn solche Teilchen werden mit einer hohen Wahrscheinlichkeit absorbiert, bevor sie die Sperrschicht erreichen. Selbst wenn in der Sperrschicht ein Ladungspaar erzeugt wird, ist der Quantenwirküngsgrad immer noch auf ein Ladungspaar je Strahlungsteilchen begrenzt, ohne dass die Möglichkeit einer Vervielfachung gegeben wäre, wie dies beispielsweise in Geiger-Müller-Zählrohren und in Proportionalitätszählern der Fall ist.

Die niedrige Ansprechbarkeit solcher Festkörperdetektoren

309810/0866

BAD ORIGINAL

Dipl.-lng. Heinz Lesser. Potentanwalt D-8 München 81, Cosimastrafje 81 · Telefon: (0811) 083820

bedingt deshalb die Verwendung von Verstärkern mit hohem Verstärkungsfaktor. Die elektronischen Bauelement solcher Verstärker ergeben meistens Störsignale hinsichtlich des im Millivolt-Bereich liegenden Ausgangssignales des Detektors, von den sie sich in ihrer Amplitude nur wenig abheben, wodurch die Auswertung der Ausgangssignale wiederum erschwert werden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Festkörperdetektor bereitzustellen, der unter Beibehaltung einer etwa gleich grossen, den auszuwertenden Strahlen ausgesetzten Oberfläche vergleichsweise wesentlich höhere Ausgangssignale erzeugt als die bisher bekannten Detektoren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Betektoroberfläche gebildet ist aus den verhältnisraässig kleinen Oberflächen einer Vielzahl diskret angeordneter Halbleiterzellen niedriger Innenkapazität, welche jeweils mit einem nur in einer Richtung leitenden Stromkreiselement reihengeschaltet sind und an welche über eine Parallelschaltung aller Reihenstromkreise eine Sperrspannung angelegt ist. Dabei können die Halbleiterzellen solche mit einer an der Oberfläche ausgebildeten oder mi> einer eindiffundierten Sperrschicht sein, und die nur in einer Richtung leitenden Stromkreiselement sind vorzugsweise np-Dioden, welche gegen die auftreffenden Strahlen zweckmässi abgeschirmt sein sollten.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Festkörperdetektors wird darin gesehen, das? ar aus einer Basisschicht vom p-Typ gebildet ist, in die sur Bildung der diskret angeordneten Halbleiterzellen mit jeweils einer eigenen Sperrschicht verhältnismässig kleine n-Bereiche eindiffundiert sind, welche zur Bildung einer jeweiligen Diode jeweils mit einer eindiffundierten p-Zone versehen sind und als gemeinsamer Anschliss für die jeweilige Halbleiterzelle und diese Diode dienen. Als Basisschicht vom p-Typ wird dabei vorzugsweise eine Silizium-Scheibe

309810/0886

BAD ORIGINAL

Dipl.-lng. Heinz Lesser, Patentanwalt D—8 München 81, Cosimastrafce SI · Telefon: (0811) 983820

verwendet. In den Einzelheiten der Herstellung orientiert sich die vorliegende Erfindung weitgehend am Stand der Technik, verwiesen wird beispielsweise auf die Abhandlung in der Zeitschrift "Nucleonics", Februar 197O, Bd. 18, No.2.

Ein Festkörperdetektor der erfindungsgemässen Ausbildung lässt eine der Anzahl der verwendeten Halbleiterzellen etwa proportionale Erhöhung des Ausgangssignales erreichen, so dass auf das Vorsehen eines zusätzlichen Verstärkers ohne weiteres verzichte: werden kann. Dadurch werden auch die durch die Verwendung-.&inejs_SGlchen„Verstärkers auftretenden Schwierigkelten automatisch ausgeräumt, d.h., es kommt nicht zur Bildung von Störsignalen, welche das Messergebnis verfälschen können. Bei dieser Betrachtungsweise wird ein Detektor herkömmlicher Ausführung berücksichtigt, dessen für die Strahlenerfassung eingerichtete Oberfläche etwa gleich gross ist vrie die Summe der jeweils relativ kleinen Flächen der einzelnen Halbleiterzellen des erfindungsgemässen Detektors. Weil dieser die angedeutete enorme Erhöhung des Ausgangssignales ergibt, kann er ohne weiteres auch verwendet werden für die Auswertung von Lichtstrahlen, die beispielsweise von einem Szintillator erzeugt werden, so dass sein Anwendungsgebiet nicht auf die Auswertung von Strahlen nuklearen Ursprunges beschränkt ist.

In der beigefügten Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Festkörperdetektors schematised dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht auf den aus einzelnen Haltleiterzellen gebildeten Festkörperdetektor,

Fig. 2 den Schaltkreis einer aus der Anordnung gemäss Fig. 1 herausgegriffenen Haltleiterzelle,

Fig. 3 den Schaltkreis mehrerer aus der Anordnung gemäss Fig. 1 herausgegriffener Haltleiterzellen,

Fig. 4 in vergrösserter Darstellung eine Einzelheit der Anordnung gemäss Fig. 1 in Draufsicht zur

309810/0866

BAD ORIGINAL

Dipl.-lng. Heinz lesser, Patentanwalt D-8 München 81, Cosimastrafce 81 - Telefon: (08Π) 983820

Veranschaulichung der verwendeten Mikroschaltung und Fig. 5 einen Querschnitt nach der Linie IV-IV der Fig.

Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung besteht .aus insgesamt 64 Halbleiterzellen 10 in planparalleler Ausführung etwa quadratischen Umrisses, welche jeweils eine in den Fig. 2 und 3 gezeigte Schaltung besitzen. Jede Halbleiterzelle 10 besitzt eine ausgeprägte η-Schicht und eine ausgeprägte p-Schicht_r an welche eine durch eine Batterie B angedeutete Gleichstromquelle angeschlossen ist, um so an der Sperrschicht jeder Halbleiterzelle eine Sperrspannung zu erzeugen. An-alle Halbleiterzellen ist jeweils eine Diode 11 angeschlossen, so dass sich Reihenstromkreise aus jeweils einer Eäbleiterzeile und einer Diode ergeben, die untereinander parallel geschaltet sind und Verbindung haben mit einem Widerstand R zur Erzeugung eines Ausgangssignales. Die in Fig. 2 eingezeichneten Pfeile deuten die auf jede Halbleiterzelle einfallenden Strahlen an, welche das vorerwähnte Ausgangssignal ergeben, das einem angeschlossenen Messystem zur Auswertung übermittelt wird.

Hinsichtlich der Herstellung der einzelnen Halbleiterzellen kann auf die vorerwähnte Literaturstelle verwiesen werden. Für den praktischen Anwendungsfall einer Erfassung von Strahlen nuklearen Ursprunges wurde gefunden, dass sich die Sperrschicht einer solchen p, n-Halbleiterzelle erstrecken sollte in einem Bereich, der von der Oberfläche der n-Schicht einen Abstand von 1 Mikron einhält und bis in eine Tiefe reicht, welche wenigstens gleich ist dem Durchdringungsbereich der in das Halbleitermaterial einfallenden Strahlenteilchen. Dadurch kann dann eine besonders hohe Auflösung des Stromimpulses erreicht werden, welcher durch die einfallen de Strahlung erzeugt wird. Bevorzugt wird eine Ausführungsform, bei welcher für die p-Schicht ein Silizium-Material mit hohem spezifischen Widerstand etwa in der Grössenordnung von 1000 Ohm-cm verwendet wird, während die n-Schicht

BAD ORIGINAL

Dipl.-lng. Heinz Lesser, Patentanwalt D—8 Mönchen 81, Cosimastra&e 81 · Telefon: (0811) 983820

durch ein Eindiffundieren von Phosphor in dieses Silizium-Material gebildet wird, Dieser Dotierungsstoff sollte eine Schichtstärke von etwa 1 Mikron haben.

Durch die vorbeschriebene Schaltung der einzelnen Halbleiterzellen jeweils kleiner Innenkapazität und jeweils kleiner Empfangsfläche für die Strahlung wird ein Ausgangssignal erhalten, welches das Sammelergebnis aller durch die einzelnen Zellen fliessenden Teilströme ist, die durch die auf treffende Strahlung erzeugt v/erden. Da die Zellen gegeneinander isoliert sind, ist die Gesamtkapazität der Anordnung nicht grosser als die Kapazität einer einzelnen Zelle. Dies hat zum Ergebnis, dass im Vergleich zu einem Detektor mit einer geschlossenen Oberfläche mittels der erfindungsgemässen Zellenanordnung ein Ausgangssignal erzeugt wird, welches um einen der Anzahl der Zellen gleichen Faktor erhöht ist, so dass beispielsweise ein Festkörperdetektor

2
mit einer Oberfläche von 0,5 cm eine um den Faktor 1000 erhöhte Ausgangsspannung liefert, wenn diese Fläche zusammengesetzt wird aus den Einzelflächen von lOOO Halbleiterzellen. Es ist damit erkennbar, dass der erfindungsgemäss ausgebildete Festkörperdetektor auf die Zuordnung eines besonderen Verstärkers verzichten kann, so dass auch die zugehörige Mikroschaltung entsprechend einfacher ausgebildet werden kann.

Für diese Mikroschaltung ergeben sich gleichfalls zahlreiche Ausbildungsmöglichkeiten, bevorzugt wird jedoch die in den Fig. 4 und 5 gezeigte Ausführung. Hierbei wird unter Verwendung einer entsprechenden Maske ein n-Dotierungsstoff in ein Silizium-Material eindiffundiert, so dass dadurch die einzelnen Halbleiterzellen gebildet werden. In Fig. 5 ist mit D die Sperrschicht bezeichnet. In den eindiffundierten n-Dotierungsstoff jeder Halbleiterzelle wird dann noch zur Bildung einer jeweiligen Diode ein p-Dotierungsstoff eindiffundiert, und abschliessend wild die gesamte Anordnung mit einer Oxidschicht 12 überzogen,

3"0b B 1 () / 0 86 6"

DipUng. Heim Leiser. Potentanwalt D-8 München 81, Cosimaslra&e 81 · Telefon: (0811) 983820

deren Schichtstärke ausreichend dann gehalten wird, um eine vernachlässigbar kleine Absorption dar auftreffenden Strahlen zu bewirken. Mit den einzelnen Dioden 11 wird jeweils ein die Oxidschicht 12 durchdringender Klemmkontakt 13 in Berührung gebracht, dessen Kontaktkopf zur Abschirmung der jeweils zugeordneten Diode verbreitert ist.

3ÜUBIÜ/08E6

Claims

Dipl.-lng. Heinz lesser, Patentanwalt D-8 München 81, Cosimastrofce 81 · Telefon: (0811) 983820

PATENTANSPRÜCHE

Festkörperdetektor, der für die Erfassung von Strahlen insbesondere nuklearen Ursprunges eingerichtet und vorzugsweise für ein radioaktives Zeitnormal bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass

die Detektoroberfläche gebildet ist aus den verhältnismässig kleinen Oberflächen einer Vielzahl diskret angeordneter Halbleiterzellen jeweils niedriger Innenkapazität, welche jeweils mit einem nur in einer Richtung leitenden Stromkreiselement reihengeschaltet sind und an welche über eine Parallelschaltung aller Reihen-Stromkreise eine Sperrspannung angelegt ist.

2. Festkörperdetektor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Halbleiterzellen solche mit einer an der Oberfläche ausgebildeten oder mit einer eindiffundierten Sperrschicht sind.

Festkörperdetektor nach Anspruch1 oder^r2, dadurch gekennzeichnet, dass

alle Halbleiterzellen planparallel angeordnet sind und einen Detektions-Wirkungsgrad aufweisen, welcher im wesentlichen gleich ist demjenigen eines Detektors aus demselben Material, dessen geschlossene Oberfläche der Summe der Zellenoberflächen entspricht.

Festkörperdetektor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,dadurch gekennzeichnet,

dass jedes nur in einer Richtung leitende Stromkreiselement eine NP-Diode ist.

309810/0866

Dipl.-Ing. Heinz leiser, Patentanwalt

D-8 München 81, Cosimaslrofce 81 · Telefon: (0811) 983820

5. Festkörperdetektor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzei c h η e t , dass die nur in einer Richtung leitenden Stromkreiseleraente gegen die auf die Halbleiterzellen auftreffenden Strahlen abgeschirmt sind.

6. Festkörperdetektor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,dadurch gekennzeichnet, dass er aus einer Basisschicht vom p- bzw. vom n-Typ gebildet ist, in die zur Bildung der diskret angeordneten Halbleiterzellen mit jeweils einer eigenen

Sperrschicht verhältnismässig kleine n- bzw. p- Bereiche eindiffundiert sind, welche zur Bildung einer jeweiligen Diode jeweils mit einer eindiffundierten p- bzw. n-Zone \arsehen sind und als gemeinsamer Anschluss für die jeweilige Halbleiterzelle und diese Diode dienen.

7. Festkörperdetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , dass als Basisschicht vom p-Typ eine Sliziumscheibe verwendet ist.

8. Festkörperdetektor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennz ei chnet , dass die Oberfläche der Anordnung durch eine Oxidschutzschicht abgedeckt ist.

9. Festkörperdetektor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit jeder eine Diode bildenden p-Zone ein die Oxid-Schutzschicht durchdringender Klemmkontakt in Berührung gehalten ist, der einen die zugehörige p-Zone abschirmenden verbreiterten Kopf aufweist.

309810/0866

Leerseite