DE69633183T2

DE69633183T2 - Fotodetektor mit einem mosfet bestehend aus einem schwebenden gate

Info

Publication number: DE69633183T2
Application number: DE69633183T
Authority: DE
Inventors: Timo Oikari; Jukka Kahilainen; Jukka Haaslahti
Original assignee: Rados Technology Oy
Current assignee: Mirion Technologies Rados Oy
Priority date: 1995-06-30
Filing date: 1996-06-28
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2016-06-29
Also published as: EP0842545B1; CA2225226A1; DE69633183D1; ATE274241T1; WO1997002609A1; CN1189922A; JP3790548B2; EP0842545A1; CN1112735C; US6043508A; AU6227196A; JPH11509366A; FI953240A0; RU2161348C2; CA2225226C

Description

HINTERGRUND
Die Messung von schwachen Lichtpegeln ist ein allgemeiner Vorgang in der Wissenschaft und Technologie.
Einer der empfindlichsten Photodetektoren ist die Lichtverstärkerröhre (englisch: Photomultiplier Tube – PMT), kurz auch nur Lichtverstärker genannt. Der Grundaufbau dieser Vorrichtung ist eine Vakuumröhre mit einer lichtempfindlichen Photokathode und einer Elektronenverstärkerstruktur. Durch eine Hochspannung wird ein elektrisches Feld über das System angelegt. Zu erfassende Photonen treffen auf die Photokathode, wo sie Photoelektronen durch einen Photoemissionsvorgang befreien. Der Elektronenverstärker besteht aus einer Reihe von (typischerweise 6 bis 16) Sekundäremissionselektroden, welche Dynoden genannt werden, zwischen denen ein steigendes elektrisches Potential angeordnet ist. Die Photoelektroden von der Kathode werden auf die erste Dynode gerichtet, wo sie mehrere Sekundärelektronen erzeugen, die wiederum auf die nächste Dynode gerichtet sind, wo die Sekundäremission wiederholt wird usw. Dies führt zu einer Verstärkung, so dass das Signal an der Ausgangselektrode, der Anode, groß genug ist, um elektronisch verarbeitet zu werden. Die Nachteile der Lichtverstärkerröhren liegen in relativ hohen Kosten und der Notwendigkeit einer Hochspannung, was ihre Vielseitigkeit einschränkt und kompliziert.
Eine andere Klasse bilden die verschiedenen Halbleiterphotodetektoren, beispielsweise Photodioden, Phototransistoren und ladungsgekoppelte Vorrichtungen (englisch: Charge Coupled Devices – CCD). Ihnen gemeinsam ist, dass das Licht das Halbleitermaterial beeinflusst, wo es Ladungsträger (Elektronen und Löcher) erzeugt, die zur Erzeugung eines elektrischen Signals gesammelt werden. Diese Art von Detektor wurde in der Druckschrift EP-A-0002420 offenbart. Das Problem bei Halbleiterdetektoren ist jedoch, dass die Ladungsträger in den Festkörper des Halbleitermaterials wandern müssen, wo Wärmeenergie ein hohes Hintergrundrauschen erzeugt.
ERFINDUNGSZUSAMMENFASSUNG
Die Erfindung nach den Ansprüchen 1 und 6 offenbart eine neue Art von Photodetektor, die kostengünstig, empfindlich und leicht aufzubauen ist. Sie umfasst eine evakuierte Kammer mit einer Photoemissionsfläche, die zur Freigabe von Elektronen (Photoelektronen) durch einen photoelektrischen Effekt in Reaktion auf Lichtphotonen befähigt ist.
Kennzeichnend für die vorliegende Erfindung ist, dass die Photoelektronen durch einen Feldeffekttransistor in Metalloxidhalbleiterbauart (MOSFET) mit einer schwebenden Gate-Elektrode (bzw. einem floatenden Gate) erfasst werden, wobei die Gate-Elektrode vor der Messung geeignet aufgeladen wird. Die Photoelektronenemission verursacht eine Veränderung bei der Gate-Ladung, wobei die Ladung die durch den Detektor empfangene Lichtmenge angibt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Photoemissionsfläche nicht an der Gate-Elektrode angebracht, wobei letztere vor der Messung auf positives Potential aufgeladen ist. Die positive Ladung zieht die Photoelektronen an und richtet sie auf die Gate-Elektrode, wo sie deren positive Ladung neutralisieren, was zu einer Verringerung des Gate-Potentials führt, wobei die Verringerung die durch den Detektor empfangene Lichtmenge angibt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Photoemissionsfläche unmittelbar auf der schwebenden Gate-Elektrode verarbeitet, wobei diese dabei vor der Messung negativ aufgeladen ist. Die befreiten Photoelektronen werden an einer separaten Anodenelektrode gesammelt oder einfach an der Metallwand des Vorrichtungsgehäuses. Dies verursacht einen Anstieg im Gate-Potential, wobei der Anstieg die durch den Detektor empfangene Lichtmenge angibt.
Während der Photoelektronenansammlungsphase erfordert der offenbarte Photodetektor keine elektrische Energie (Spannung). Es können jedoch zur Optimierung der Photoelektronenansammlung natürlich auch zusätzliche elektrische Felder angelegt werden.
BETRIEBSPRINZIP DER ERFINDUNG
Es ist kennzeichnend für die Erfindung, dass von einer Photoemissionsfläche durch einen photoelektrischen Effekt in Reaktion auf Lichtphotonen befreite Elektronen (Photoelektronen) die Oberfläche der schwebenden Gate-Elektrode eines MOSFET (Metalloxidhalbleiterbauart eines Feldeffekttransistors) beeinflussen. Die Erfindung basiert auf der Messung der Wirkung der Photoelektronen auf die in der Kapazität der schwebenden Gate-Elektrode des MOSFET vor der Messung gespeicherte Ladung.
Die Photoelektronen werden mittels der Wirkung des durch die Gate-Elektrode erzeugten elektrischen Feldes gesammelt, nachdem es zunächst auf ein geeignetes Potential aufgeladen wurde. Diese anfängliche Aufladung wird beispielsweise durch Anwendung der FN-Tunnelungstechnik erreicht.
Durch Messen der Leitfähigkeit des Drain-Source-Kanals des MOSFETs kann die Gate-Ladungsmenge ohne Zerstörung der Ladung selbst bestimmt werden. Dies ist analog zu einem Auslesevorgang für die in einem analogen EEPROM-Speicher gespeicherten Informationen.
ZEICHNUNG
Die Zeichnung zeigt zwei mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung.
1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel.
2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die Figur in der Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Photodetektor. Es sei angemerkt, dass die Elemente in der Figur nicht maßstabsgetreu gezeigt sind. Eine Photoemissionsfläche 20 empfängt Lichtphotonen und setzt Elektronen (oftmals als Photoelektronen bezeichnet) durch einen photoelektrischen Effekt frei. Photoemissionsmaterialien sind vorbekannt und können dieselben sein, wie die bei Photokathoden und Lichtverstärkern verwendeten.
Die Photoelektronen werden durch den MOSFET 10 erfasst. Diese Vorrichtung weist drei Elektroden auf: die Source-Elektrode 11, die Drain-Elektrode 12 und die Gate-Elektrode 13. Erfindungsgemäß wird die Gate-Elektrode 13 unverbunden belassen, das heißt schwebend (bzw. floatend). Eine positive Ladung wird zuvor auf der Gate-Elektrode 13 ausgebildet, indem beispielsweise eine ausreichend große Spannung zwischen die Source-Elektrode 11 und die Drain-Elektrode 12 angelegt wird. Dies verursacht das Auftreten des FN-Tunnelungsphämomen durch die Oxidschicht des Gate-Isolators 14, was eine Einstellung des Potentials in der schwebenden Gate-Elektrode 13 auf der gewünschten Ladung verursacht.
Es ist bekannt, dass die Ladungsrückhalteeigenschaften von MOSFETs mit schwebenden Gate-Eelektroden ausgezeichnet sind. Sie sind daher für den Aufbau von nicht flüchtigen Speichern gut geeignet, was sowohl digitale als auch analoge EPROM- und EEPROM-Speicher beinhaltet. Vormals wurden MOSFETs mit geladenen schwebenden Gate-Elektroden als Detektoren zur Ionisierungsabstrahlung verwendet, wie es in der Druckschrift WO 95/12134 offenbart ist.
Die positive Ladung erzeugt ein elektrisches Feld, das Photoelektronen anzieht, und richtet diese auf die Gate-Elektrode 13. Auf der Oberfläche der Gate-Elektrode 13 ist ein unbedeckter Bereich, oder ein durch einen Leiter, Halbleiter oder dünnen Isolator bedeckter Bereich. Die Dicke des Isolators kann beispielsweise einen Millimeter nicht überschreiten, um ein Passieren der Elektronen durch ihn zu der eigentlichen Gate-Elektrode noch immer zu ermöglichen. Am Bevorzugtesten ist jedoch ein Teil der Oberfläche der Gate-Elektrode vollständig unbedeckt. Demzufolge wurde in dem Oxidschichtisolator 14 der schwebenden Gate-Elektrode 13 ein Loch 17 ausgebildet, durch das die Photoelektronen die Oberfläche der Gate-Elektrode 13 unmittelbar erreichen können. Wenn sie auf die Gate-Elektrode 13 treffen, neutralisieren die Photoelektronen die positive Ladung darauf, was eine Verringerung in dem Potential der Gate-Elektrode 13 verursacht. Die Verringerung der Potentialmenge in einem ausgewählten Zeitintervall gibt daher die durch den Photodetektor in diesem Intervall empfangene Lichtmenge an.
Für eine einwandfreie Betriebsweise sind die Photoemissionsfläche 20 und der MOSFET 10 in einem Gehäuse 21 eingeschlossen, das zur Abgrenzung eines Vakuums evakuiert ist. Das Gehäuse 21 weist einen transparenten Abschnitt 22 beispielsweise aus Glas auf, durch den Lichtphotonen die Photoemissionsfläche 20 erreichen können. In der Figur ist ein sehr nützlicher Aufbau gezeigt, bei dem die Photoemissionsfläche 20 auf der inneren Oberfläche des transparenten Abschnitts 22 verarbeitet ist. Die Photoemissionsfläche 20 ist mit der Metallwand des Gehäuses 21 verbunden. Die Photoemissionsfläche kann auch ersichtlich tiefer im inneren Hohlraum des Gehäuses angeordnet sein.
Das Potential der Gate-Elektrode 13, welches proportional zu deren Ladung ist, kann durch Messen der Leitfähigkeit des Source-Drain-Kanals des MOSFET 10 ohne Zerstörung der Ladung selbst bestimmt werden. Die Leitfähigkeit wird beispielsweise durch Einführen einer geeigneten Spannung zwischen der Source-Elektrode 11 und der Drain-Elektrode 12 und durch Messen des resultierenden Source-Drain-Stroms gemessen. Die in einem ausgewählten Zeitintervall erfasste Lichtmenge kann mit anderen Worten bestimmt werden, indem der Source-Drain-Strom nach dem Erfassungsintervall mit seinem Anfangswert verglichen wird, bei dem die Gate-Elektrode voll aufgeladen ist.
Damit eine Ladespannung zwischen der Source-Elektrode 11 und der Drain-Elektrode 12 angelegt werden konnte, und damit entsprechend die Veränderung im Potential (Ladung) der Gate-Elektrode 13 gemäß vorstehender Beschreibung gemessen werden konnte, sind die Source-Elektrode 11 und die Drain-Elektrode 12 mittels Leiter 26 und 27 mit Verbindungselementen 28 und 29 verbunden, die an der Wand des Gehäuses 21 befestigt sind.
Gemäß einem weiteren in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Photoemissionsfläche 20 unmittelbar auf der Gate-Elektrode 13 verarbeitet, die dabei vor der Messung negativ aufgeladen wird. Die befreiten Elektroden werden in einer separaten Anode 30 oder einfach an der Metallwand 21 des Gehäuses gesammelt. Dies verursacht einen Anstieg im Gate-Potential, wobei der Anstieg die durch den Detektor empfangene Lichtmenge angibt. Dies wird durch eine Messung der Leitfähigkeit des Source-Drain-Kanals nach vorstehender Beschreibung bestimmt.
Darüber hinaus wird angemerkt, dass während der Phase der Lichterfassung (das heißt der Photoelektronenansammlung) der offenbarte Photodetektor keine elektrische Energie (Spannung) erfordert. Es ist jedoch natürlich möglich, ein zusätzliches elektrisches Potential zwischen der Photoemissionsfläche und der schwebenden Gate-Elektrode oder zwischen der Photoemissionsfläche und der Anode anzulegen, damit die Photoelektronensammlung verbessert und optimiert wird.

Claims

Ein lichtelektrischer Strahlungsempfänger, umfassend: eine Photoemissionsfläche (20), die bei Einwirkung durch zu detektierende Lichtphotonen Elektronen zu freizugeben fähig ist, einen MOSFET (10), der ein floatendes Gate (13) hat, welches Gate fähig ist, eine Ladung so zu tragen, dass die Emission besagter Elektronen eine Änderung in der besagten Ladung veranlassen kann, und eine vakuumierte Kammer (21), die die besagte Photoemissionsfläche (20) und den besagten MOSFET (10) enthält, wobei wenigstens ein Teil (22) der besagten Kammer lichtdurchlässig ist, so dass das besagte Licht auf die besagte Photoemissionsfläche durchdringen kann.
Ein lichtelektrischer Strahlungsempfänger gemäß Patentanspruch 1, in welchem die besagte Photoemissionsfläche (20) nicht in Kontakt mit dem besagten floatenden Gate (13) und getrennt von ihm gelegen ist und die besagte Ladung positiv ist.
Ein lichtelektrischer Strahlungsempfänger gemäß Patentanspruch 1, in welchem die besagte Photoemissionsfläche (20) in Kontakt mit dem besagten Gate (13) ist und die besagte Ladung negativ ist.
Ein lichtelektrischer Strahlungsempfänger gemäß Patentanspruch 2, in welchem die besagte Photoemissionsfläche (20) auf der inneren Fläche des besagten lichtdurchlässigen Teiles (22) der besagten Kammer (21) prozessiert ist.
Ein lichtelektrischer Strahlungsempfänger gemäß Patentanspruch 2 oder 3, der weiter eine Vorrichtung (26, 27, 28, 29) zum Registrieren einer durch die besagten Elektronen veranlassten Änderung in der besagten Ladung umfasst, wobei diese Änderung die vom lichtelektrischen Strahlungsempfänger empfangene Lichtmenge indiziert.
Eine Methode zum Detektieren von Licht, die die folgenden Schritte umfasst: Vorsehen eines lichtelektrischen Strahlungsempfängers, der eine Photoemissionsfläche (20), die bei Einwirkung durch zu detektierende Lichtphotonen Elektronen zu freizugeben fähig ist, einen mit einem floatenden Gate (13) versehenen MOSFET (10) und eine vakuumierte Kammer (21), die die besagte Photoemissionsfläche und den besagten MOSFET enthält, umfasst, wobei wenigstens ein Teil (22) der besagten Kammer lichtdurchlässig ist, so dass das besagte Licht auf die besagte Photoemissionsfläche durchdringen kann, Laden des besagten floatenden Gates (13) auf ein vorgewähltes Potential, Aussetzen der besagten Photoemissionsfläche (20) der Einwirkung von zu detektierendem Licht, was Elektronen von der Photoemissionsfläche emittiert zu werden lässt und eine Änderung im besagten vorgewählten Potential des floatenden Gates (13) veranlasst, und Registrieren der Änderung im besagten vorgewählten Potential nach einer gewählten Zeit, welche Änderung die vom lichtelektrischen Strahlungsempfänger empfangene Lichtmenge indiziert.
Eine Methode zum Detektieren von Licht gemäß Patentanspruch 6, worin das besagte Laden durch Anschließen einer Spannung zwischen der Source-Elektrode (11) und der Drain-Elektrode (12) des besagten MOSFETS (10) ausgeführt wird.