DE68909621T2 - Ladungsverstärkerschaltung mit Junction-Feldeffekttransistor. - Google Patents
Ladungsverstärkerschaltung mit Junction-Feldeffekttransistor.Info
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Description
- Die gegenwärtige Erfindung betrifft Ladungsverstärker-Schaltungen mit einem Junction-Feldeffekttransistor.
- Vorrichtungen mit Junction-Feldeffekttransistoren (JFET) werden als Ladungsverstärker benutzt, da sie mit einer sehr hohen Eingangsimpedanz gestaltet werden können. Ladungsverstärker sind erforderlich zur Verstärkung des Ausgangs von Wandlern des Typs, der kleine Ladungs- oder Stromsignale erzeugt. Wandler dieses Typs umfassen zum Beispiel solche, die für ionisierende Strahlung wie etwa Gainma- oder Röntgenstrahlen empfindlich sind. In Röntgenfluoreszenzausrüstungen zum Beispiel werden (von einer Röntgenröhre oder mittels Elektronenbeschuß in einem Elektronenmikroskop erzeugte) Röntgenstrahlen zur Bestimmung der elementaren Zusammensetzung einer Probe analysiert. Eine Ausrüstung dieses Typs ist in der GB-A-2 208 431 offenbart.
- Üblicherweise wird ein FET als erste Stufe eines Ladungsverstärkers eingesetzt, der weitere Verstärkerstufen versorgt, um ein verstärktes Ladungssignal zu erzeugen, das wiederum einer Verarbeitungseinheit zugeführt wird. Die Weiterverarbeitungseinheit ist zur Messung des Ladungssignals ausgelegt, um Information über die Bedingungen zu erhalten, denen der Wandler ausgesetzt ist. Vorausgesetzt, daß sich das Ladungssignal üblicherweise nur in eine Richtung verändert, etwa zunimmt, muß die akkumulierte Ladung entfernt werden, bevor das System in Sättigung geht oder nichtlinear wird; dieser Prozeß wird als Wiederherstellen bezeichnet.
- Ein Problem beim Rücksetzen von Ladungsverstärkern wie den oben beschriebenen ist, daß die Menge der akkumulierten Ladung oft sehr klein ist, also der erforderliche Rücksetzstrom etwa wenige Nano-Ampere für weniger als zehn Mikrosekunden erfordert. Das Vorhandensein von Streukapazitäten in einem beliebigen elektronischen System macht die direkte Steuerung eines Stromes dieser Größe über eine derart kurze Zeit im Grunde unmöglich.
- Eine bekannte Lösung für die Aufgabe der Entfernung von Ladung von Verstärkern des vorgenannten Typs ist die der "optischen Impuls-Wiederherstellung", wie in dem UK-Patent Nr. 1 153 374 beschrieben. In diesem System wird eine akkumulierte Ladung mittels einer lichtempfindlichen Halbleitervorrichtung entladen, die wiederum Licht von einer Licht aussendenden Halbleitervorrichtung empfängt. Ein kurzer Impuls eines relativ hohen Stromes wird direkt auf die Licht sendende Vorrichtung angewendet. Der von der (zur Minimierung des Effektes von Streukapazitäten so nahe wie möglich an der akkumulierten Ladung angeordneten) lichtempfindlichen Vorrichtung erzeugte Strom ist um einige Größenordnungen kleiner als der erste Strom.
- Ein Problem des optischen Impuls-Wiederherstellens ist, daß in vielen Anwendungen (einschließlich der Röntgenfluoreszenz) Licht von der Licht sendenden Vorrichtung den Wandlereingang, etwa Röntgendetektor, nicht erreichen darf. Eine zwischen dem Wandler und der Licht sendenden Vorrichtung angeordnete Abschirmung führt Kapazität ein. Dieses Problem wird partiell gelöst durch Anordnung der Lichtabschirmung als Teil einer Rückkopplungskapazität, jedoch haben für diese Anwendung geeignete opake Materialien keine guten dielektrischen Eigenschaften und verursachen Rauschen.
- Ein weiteres Problem des optischen Impuls-Wiederherstellens ist die Einführung einer weiteren Streukapazität in Form der lichtempfindlichen Vorrichtung. Dieses Problem kann durch die lichtempfindliche Gestaltung des FET selbst und Zuf ührung des Wiederherstellungs-Lichtes auf den FET überwunden werden. Jedoch verursacht ein solches Vorgehen die Erzeugung von Ladung auf dem FET und eine zusätzliche Zeit kann erforderlich sein, um diese Ladung zu entfernen, bevor Messungen aufgenommen werden können.
- Die US-A-3 999 207 beschreibt eine Halbleitervorrichtung mit ersten, zweiten und dritten halbleitenden Bereichen von alternierendem Leitfähigkeitstyp, wobei der zweite halbleitende Bereich durch Anlegen einer Spannung zwischen den ersten und dritten Bereichen und Injektion von Ladungsträgern von einem dieser Bereiche gesteuert wird.
- Es ist die Aufgabe der gegenwärtigen Erfindung, eine verbesserte Ladungsverstärkerschaltung mit einem JFET zu schaffen. Ladungsverstärkerschaltungen sind bekannt, etwa aus IEEE NS-17, Nr. 1, Seiten 269 bis 275 "Overload Recovery Circuit for Charge Amplifiers", V. Radeka.
- Gemäß der gegenwärtigen Erfindung wird eine Ladungsverstärkerschaltung geschaffen mit einer Kapazität zur Speicherung von Ladung von einem Wandler, einem Junction- Feldeffekttransistor, der ein Substrat aus einem Halbleitermaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps, eine Schicht mit einem Kanal aus einem Halbleitermaterial eines zweiten Leitfähigkeitstyps, einem Gate, einer Source, einem Drain und einem Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps als Injektor aufweist, einem Mittel zur Weitergabe des gespeicherten Ausgangs vom Wandler zum Gate, einem Schwellwertdetektor und einem Mittel zur Weiterleitung des Ausgangs am Drain zum Schwellwertdetektor, wobei der Schwellwertdetektor einen Impuls zum Injektor gibt, wenn der Drainausgang einen vorbestimmten Schwellwert erreicht, wobei Ladungsträger in den Kanal des Junction-Feldeffekttransistors injiziert sind, um die Ladung auf der Kapazität über das Gate des Transistors wiederherzustellen.
- Ein Vorteil der Erfindung ist, daß sie einen Verstärker schafft, der keine optische Impuls-Wiederherstellung erfordert und somit Probleme in Verbindung mit Streustrahlung des JFET selbst vermieden werden. Die optischen Eigenschaften der Abschirmung, die einen Teil der Rückkopplungskapazität bildet, sind nicht länger bedeutsam, so daß Materialien wie PTFE, die gute dielektrische Eigenschaften haben, benutzt werden können. Weiterhin kann der JFET näher am Wandler angeordnet und damit der Effekt von Kapazität in Verbindungsleitungen minimiert werden. Der kombinierte Effekt dieser Vorteile ist reduziertes Rauschen, was wiederum zu einer verbesserten Empfindlichkeit führt.
- Typischerweise wird das Gate aus dem besagten ersten Typ Halbleitermaterial geformt und zwischen Source und Drain angeordnet. Der Transistor ist besonders geeignet für die Verstärkung von Ladungen und kleinen Strömen.
- Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
- Fig. 1 eine Draufsicht eines in der gegenwärtigen Erfindung eingesetzten Junction-Feldeffekttransistors ist,
- Fig. 2 ein diagrammatischer Querschnitt durch den Transistor aus Fig. 1 ist,
- Fig. 3 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Ladungsverstärkers auf der Basis des Transistors aus Fig. 1 ist.
- Eine Aufsicht eines Junctions-Feldeffekttransistors ist in Fig. 1 und ein diagrammatischer Querschnitt ist in Fig. 2 gezeigt. Eine N-Kanal-Vorrichtung ist dargestellt, aber es könnte ebenso eine P-Kanal-Vorrichtung sein: Alle Halbleiterbereiche hätten die entgegengesetzte Polarität zu der gezeigten.
- Eine Vielzahl von Vorrichtungen sind auf einem stark (p+) dotierten Silizium-Substrat 10 gebildet. Eine (die Kanalbereiche bildende) epitaxiale n-Schicht 11 ist auf dem Substrat 10 mit einer Dicke von 5 m gewachsen, die von einer Passivierungsschicht 12 aus Siliziumdioxid abgedeckt ist. Fenster 13 werden in der Oxidschicht 12 mit einem Verfahren der Fotolithographie und Ätzen geöffnet und die Anordnung wird in eine Bor-Atmosphäre bei 1000 ºC eingeführt. Bor diffundiert in die epitaxiale Schicht und bildet Isolations-Diffusionsbereiche 14, die jede Vorrichtung von den anderen auf dem Substrat gebildeten isolieren. Die Diffusion ist so tief, daß sie den Substratbereich 10 erreicht.
- Nach der Bildung der Isolationsbereiche werden weitere Fenster 15 in der Oxidschicht geöffnet und Bereiche 16 und 17 im P+ -Material entweder durch Bor-Diffusion oder Bor- Ionenimplantation gebildet. Wie in Fig. 1 gezeigt, bildet Bereich 16 ein Deck-Gate in Form eines Kreisringes. Bereich 17 wird als Injektor bezeichnet und ist ein kleiner Bereich, der außerhalb des Ringes des Gate-Bereichs 16 angeordnet ist. Die Eigenschaften der Vorrichtung und speziell der Effekt dieses Bereiches 17 werden unten beschrieben.
- Die Vorrichtung, die hierin als Injektor-Junction-FET (IJFET) bezeichnet wird, wird im wesentlichen auf gleiche Weise wie ein konventioneller JFET vervollständigt. Fenster 15 werden durch Aufwachsen einer weiteren Oxidschicht abgedeckt und neue Fenster 18 werden geöffnet. Phosphor wird zur Bildung von N+ -Bereichen für eine (das Gate ringförmig umgebende) Source 19 und ein Drain 20, ein Ring innerhalb des Gate, eindiffundiert. Die vorher abgedichteten Fenster 15 werden wieder geöffnet und eine dünne Aluminiumschicht wird auf die Oberseite der Vorrichtung aufgebracht. Der größte Teil des Aluminiums wird mittels Fotolithographie und Ätzen entfernt, um Kontaktierflächen 21 auf zudecken, die mit Source (S), Gate (G1), Drain (D) und Injektorbereichen (I) verbunden sind und mit Goldelektroden verbunden werden. Eine zweite Gate-Elektrode (G2) wird mit dem Substrat 10 verbunden, so daß jede individuelle Vorrichtung insgesamt fünf Elektroden aufweist.
- Die Eigenschaften des IJFET als Verstärker mit hoher Impedanz werden von der Anwesenheit des Injektor-Bereiches nicht betroffen, bis (für die n-Kanal-Vorrichtung) eine positive Vorspannung an den Injektor angelegt wird. Daher hat die Vorrichtung in einer ersten Betriebsart eine hohe (Gate-) Eingangsimpedanz und der Stromfluß (Elektronen für die n-Kanal-Vorrichtung) von der Source zum Drain wird gemäß der am Gate (G1) anliegenden Spannung gesteuert; der Gate-Leckstrom ist vernachlässigbar. In einer zweiten Betriebsart wird eine positive Vorspannung an den Injektor (I) angelegt und ein vorwärts gerichteter Strom fließt durch die Übergangszone zwischen dem Injektor 17 vom p-Typ und der Schicht 11 vom n-Typ. Löcher werden in die Schicht vom n-Typ injiziert, die wiederum einen relativ kleinen Leckstrom durch das Gate G1 erlauben. Obwohl klein im Vergleich zum injizierten Strom, ist der Gate-Leckstrom in dieser zweiten Betriebsart viel größer als derjenige der ersten Betriebsart. Folglich wird jedwede Ladung, die sich auf der Eingangsseite der Vorrichtung während der ersten Betriebsart gebildet haben mag, während der zweiten Betriebsart, das ist das Anlegen einer positiven Vorspannung an den Injektor, entladen.
- Ein erfindungsgemäßer Ladungsverstärker wird in Fig. 3 gezeigt, in der der Ausgang eines Wandlers 30, zum Beispiel ein Silizium-Röntgendetektor, dem Gate eines IJFET 31 zugeführt wird. Das für den IJFET angenommene Symbol ist im wesentlichen dasselbe wie das für einen Standarddualgate JFET mit dem Zusatz eines geneigten Pfeiles zur Identifizierung des Injektors. Der Betrieb der Vorrichtung in der zweiten Betriebsart ist ähnlich der eines PNP Bipolartransistors, worin der Injektor wie ein Emitter, der Gate- Bereich als Kollektor und die Schicht vom n-Typ (auf der Source-Seite) als Basis wirkt. Der Injektor ist folglich in einer Weise gekennzeichnet worden, wie sie gemeinhin für einen Emitter akzeptiert ist, wobei die Richtung des Pfeils die Richtung des konventionellen Stromes ist, der zum Erzwingen der zweiten Betriebsart für die Vorrichtung erforderlich ist.
- Die Ausgangsladung des Wandlers 30 akkumuliert auf einer Platte eines Rückkopplungskondensators 32, der wiederum einen proportional zunehmenden Drain-Strom erzeugt, der einem Verstärker 33 zugeführt wird. Der Ausgang vom Verstärker 33 wird einer Verarbeitungseinheit 34 und einem Schwellwertdetektor 35 zugeführt. Die Verarbeitungseinheit 34 erzeugt einen Ausgang, der angezeigt, gespeichert oder von einem Computer oder einem ähnlichen Gerät weiterverarbeitet werden kann. Der Schwellwertdetektor 35 gibt einen vorbestimmten Stromimpuls an den Injektor I des IJFET 31, wenn das verstärkte Signal einen vorbestimmten Wert erreicht. Die Größe und Dauer des Injektor-Impulses ist derart, daß die akkumulierte Ladung auf dem Kondensator 32 aufgrund des Lecks durch das Gate G1 des IJFET 31 wiederhergestellt wird.
- Der IJFET erlaubt die Kontrolle eines kleinen Wiederherstellstromes durch einen viel größeren Injektor-Strom, ohne ein optisches Impuls-Wiederherstellen zu erfordern. Seine besondere Anwendung liegt bei Röntgenfluoreszenzdetektoren in Elektronenmikroskopen, Gammastrahldetektoren und anderen Systemen, in denen kleine Ströme und Ladungen verstärkt werden.
Claims (10)
1. Ladungsverstärkerschaltung mit einer Kapazität (32) zur
Speicherung von Ladung von einem Wandler (30), einem
Junction-Feldeffekttransistor, der ein Substrat (10) aus
einem Halbleitermaterial eines ersten
Leitfähigkeitstyps, eine Schicht (11) mit einem Kanal aus einem
Halbleitermaterial eines zweiten Leitfähigkeitstyps, einem
Gate (G), einer Source (S), einem Drain (D) und einem
Bereich (17) des ersten Leitfähigkeitstyps als Injektor
(I) aufweist, einem Mittel zur Weitergabe des
gespeicherten Ausgangs vom Wandler (30) zum Gate, einem
Schwellwertdetektor (35), und einem Mittel zur
Weiterleitung des Ausgangs am Drain (D) zum
Schwellwertdetektor (35), wobei der Schwellwertdetektor einen Impuls zum
Injektor (I) gibt, wenn der Drain-Ausgang einen
vorbestimmten Schwellwert erreicht, wobei Ladungsträger in
den Kanal des Junction-Feldeffekttransistors injiziert
sind, um die Ladung auf der Kapazität über das Gate des
Transistors wiederherzustellen.
2. Ladungsverstärkerschaltung nach Anspruch 1, wobei der
Stromfluß zwischen Source (S) und Drain (D) mittels einer
an das Gate (G1) angelegten Spannung steuerbar ist und
die Injektion von Ladungsträgern über den Injektor (I)
die Leckströme durch das Gate (G1) erhöht.
3. Ladungsverstärkerschaltung nach Anspruch 2, wobei das
Substrat ein zweites Gate (G2) bildet.
4. Ladungsverstärkerschaltung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei das Gate (G1) innerhalb der Schicht
(11) einen Bereich (16) aufweist, der zum ersten
Leitfähigkeitstyp modifiziert und zwischen Source (S) und
Drain (D) angeordnet ist.
5. Ladungsverstärkerschaltung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei Ladungsträger in den Kanal über einen
Injektorbereich (17) des ersten Leitfähigkeitstyps
injiziert werden und eine Übergangszone mit der Schicht
(11) bilden.
6. Ladungsverstärkerschaltung nach Anspruch 5, wobei die
Schicht (11) aus Material des n-Typs und der
Injektorbereich (17) aus stark dotiertem Material des p+-Typs
besteht.
7. Ladungsverstärkerschaltung nach Anspruch 1, wobei der
Wandler ein Röntgenstrahlungsdetektor zur Untersuchung
von in Elektronenmikroskopen erzeugter Röntgenstrahlung
ist.
8. Ladungsverstärkerschaltung nach Anspruch 7, die einen
Verstärker (33) aufweist, der den Ausgang des Drains vor
Anwendung auf einen Schwellwertdetektor verstärkt.
9. Ladungsverstärkerschaltung nach Anspruch 8, die eine
Verarbeitungseinheit (34) zur Verarbeitung des verstärkten
Drain-Ausgangs aufweist zur Bestimmung der elementaren
Zusammensetzung einer unter einem Elektronenmikroskop
untersuchten Probe.
10. Verfahren zur Verstärkung von Ladungssignalen oder
Stromsignalen, mit den Schritten Speichern eines Signals von
einem Wandler (30) in einer Kapazität (32), Zuführung
des gespeicherten Signals zur einem Gate eines Injektor-
Junction-Feldeffekttransistors (31) mit einem Kanal,
einem Gate, einer Source, einem Drain und einem
Leitfähigkeitsbereich mit entgegengesetzter Leitfähigkeit zu
dem Bereich, in dem der Kanal als Injektor gebildet ist,
Zuführung eines Ausgangs vom Drain zu einem
Schwellwertdetektor (35), wobei der Schwellwertdetektor zur
Zuführung eines Impulses zum Injektor ausgebildet ist, wenn
der Drain-Ausgang einen vorbestimmten Schwellwert
erreicht hat, wobei Ladungsträger in den Kanal des
Transistors (31) injiziert werden, um die Ladung auf der
Kapazität (32) über das Gate des Transistors
wiederherzustellen.
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