JPS5928072B2 - 輻射線感知装置 - Google Patents

輻射線感知装置

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JPS5928072B2
JPS5928072B2 JP53153800A JP15380078A JPS5928072B2 JP S5928072 B2 JPS5928072 B2 JP S5928072B2 JP 53153800 A JP53153800 A JP 53153800A JP 15380078 A JP15380078 A JP 15380078A JP S5928072 B2 JPS5928072 B2 JP S5928072B2
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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は一般的に輻射線検出装置、特にX線及び光の
様な輻射線を電気信号に変換する装置に関する。
この発明は米国特許第4,101,924号に記載され
た発明の改良である。
この発明を実細した1実維例では、一導電型であつて第
1の比抵抗を持つ半導体材料の基板を用意する。
基板はその主面の近くに半導体材料の薄い層を含む。こ
の薄い層は基板と同じ導電型であるが、実質的に一層小
さい比抵抗を有する。基板の主面に隣接する基板内に、
反対導電型の領域を設けて、基板とPN接合を形成する
。PN接合は前記主面内に、半導体材料の前記薄い層の
縁に接近するが、それから隔たる第1の縁を有する。半
導体材料の薄い層の面積は、基板の主面内にある反対導
電型の領域の面積より実質的に大きい。出力手段をPN
接合と回路接続して、基板内で発生された少数担体の電
荷の流れを感知する。この発明に特有と考えられる新規
な特徴は特許請求の範囲に具体的に記載してあるが、こ
の発明の構成、作用、及びその他の目的並びに利点は、
以下図面について説明する所から最もよく理解されよう
第1図、第2図及び第3図には、N型の導電型であつて
比抵抗が比較的大きい単結晶シリコン半導体材料の基板
11を含む輻射線感知装置10が示されている。
基板と同じ導電型であるが、比抵抗がずつと小さい半導
体材料の薄い層13,14を基板の主面15に隣接して
基板内に設ける。薄い層13,14は細長い形であつて
夫々縦軸線16,17を有する。これらの薄い層は、そ
れらの縦軸線が平行になる様に、且つそれらの向い合つ
た縦軸線方向の縁同士が隔たつて狭いすき間18を形成
する様に配置されている。基板の主面15に隣接して、
すき間18内にP型の導電型を持つ細長い領域21を設
け、基板とPN接合22を形成する。PN接合22はそ
の縦方向の一方の縁がそれと向い合う薄い層13の縦方
向の縁と密な間隔で隔たつていると共に、その縦方向の
他方の縁がそれと向い合う薄い層14の縦方向の縁と密
な間隔で隔たつている。半導体材料の各々の薄い層13
,14の表面積は、それらの中間にあるP型領域21の
表面積よりずつと大きい。基板11の比抵抗を10オー
ム・センチメートルにし、厚さを10ミル(0.254
m0にするのが便利である。薄い層13,14は比抵抗
が0.05オーム・センチメートルで、厚さが0.1ミ
クロンであつてよい。薄い層13,14の向い合う縦方
向の縁の間の間隔は1ミル(0.0254鼎)であつて
よい。薄い層の間に縦方向に延在するP型領域の幅は0
.2ミル(0.00508m0であつてよく、また厚さ
は約0.2〜1ミクロンであつてよい。P型領域の縦方
向の長さは薄い層の縦方向の長さと等しくし、薄い層の
幅は特定の用途に応じて、例えば装置の感度や応答速度
を最適にするように定める。薄い層13,14はイオン
注入によつて設けることが出来る。端子25がP型領域
21に導電接続される。基板11の底面に固定された端
子26が基板に対する導電接続部になる。第1図は装置
10を動作させる回路をも示している。
この回路は差動増幅器30を含み、これが反転端子31
、非反転端子32及び出力端子33を含む。非反転端子
32が大地に接続されると共に基板の端子26に接続さ
れる。反転端子31がP型領域21に対する端子25に
接続される。帰還抵抗34が出力端子33と非反転端子
31との間に接続される。抵抗帰還を施した高利得の差
動増幅器30は、反転端子31と非反転端子32との間
に電圧の差をゼロに近い状態に保つ様に作用する。この
ため、非反転端子32の大地電位が反転端子31に現わ
れ、従つて端子25を介してP型領域21に現われて、
PN接合22にゼロ・バイアスを設定する。基板11と
同じ導電型であるが、比抵抗が一層小さい薄い層13,
14が、基板の主面15に隣接して組込みの電界又は電
圧勾配を作り、これが少数担体、即ち図示の実施例では
正孔を反発する。
従つて、輻射線が入射したことにより、又は熱的な励起
によつてN型層13,14の下にある領域内で少数担体
が発生されると、この少数担体はP型領域21と端子2
6へ拡散する.増幅器30の作用により、端子31,3
2が同じ電位に保たれるので、発生された電荷が抵抗3
4を介して出力端子33へ流れる。従つて、端子33の
電位は、幅射線によつて誘起されて抵抗34を通つて流
れる電流に比例する。層13,14は、入射する幅射線
を目立つて減衰させる程厚くはしないが、組込みの電界
を作るのに十分な厚さにすることが好ましい。この発明
の検出装置の特別の利点は、電荷を発生して収集する機
能と、電荷を感知する機能とが分離していることである
薄い層13,14の面積はP型領域21の表面積に較べ
て非常に大きく、例えば100倍にして、電荷を収集す
る面積を大きくすることが出来、その反面、P型領域2
1の面積を十分小さくして、出力側の静電容量を小さく
し、こうして光子輻射線の入力に対して高い電圧出力が
得られる様にすることが出来る。この代りに、検出装置
の感度を改善する為に、出力側の静電容量を更に小さい
値にしたい場合、適当なバイアス線から大地に対して非
反転端子32を適当にバイアスすることにより、PN接
合に逆バイアスを加えることが出来る。例えばX線の様
に、半導体がそれに対して透明である様な輻射線を検出
する為にこの装置を利用する場合、X線を半導体材料の
応答がよい光に変換する適当な変換手段を設ける。
この為、第1図乃至第3図には、X線をシリコンの反応
が更によい光に変換するのに適したシンチレータ35が
示されている。シンチレータ35は、基板の主面15に
重なる酸化シリコンの様な薄い絶縁層36の上に配置さ
れる。シンチレータ35は沃化セシウムの様な材料で構
成することが出来る。この発明の検出装置では、薄い層
13,14の下にある領域内で発生され且つ収集された
電荷担体は、拡散によつて出力領域21まで移動し、そ
こで貯蔵し或いは読出すことが出来る。
こういう領域内の発生個所から出力領域まで担体が移動
する時間は、発生個所と出力領域との間の距離の自乗の
関数である。このため、検出装置の応答速度は、反対導
電型の出力領域から一番遠く離れた所で発生された担体
が拡散によつて移動する時間で決められる。従つて、応
答速度は、層13,14の下にある領域の幅の自乗に反
比例すると云える。第1図乃至第3図について説明した
検出装置では、担体がその発生点から出力領域21に達
するまでに移動しなければならない距離を最小限に抑え
る(従つて、応答速度を高める)ため、層13,14と
反対導電型の領域21は細長い形状に形成されている。
例えば、各層13,14の幅は半導体基板中に於ける少
数担体の拡散距離以下の幅にする。このように応答速度
を高めるために、層13,14をその面積を所要の一定
の面積に保つように細長い形状(幅を短くし、縦方向の
長さを長くする)にした場合、対応的に領域21の縦方
向の長さも長くなるので、出力PN接合の面積が増加し
、このため出力の静電容量が増加して、感度が幾分低下
する.従つて、層13,14の幅は、所望の妥当な応答
速度及び感度が得られるように決める。図示実帷例の変
形として、共通の基板に反対導電型の多数の細長い領域
を設けて電気的に接続し、夫々の反対導電型の領域に関
連して1対の比抵抗の小さい半導体材料の幅の狭い細長
い薄い層を設けて、応答速度を高めることが出来る。こ
の様な細長い領域の数並びに間隔は、所望の応答速度が
得られる様に選ぶ。この発明の検出装置の動作について
説明すると、米国特許第4,101,924号に記載さ
れた検出装置に較べて、信号対雑音比が実質的に改善さ
れる。
この改善は、少数担体電荷が発生され且つ収集される、
前掲米国特許に記載された電極17,18の下にある空
乏領域がなくなり、基板の表面に、比抵抗の小さい薄い
層によつて組込みの電界が作られ、該電界が少数担体電
荷が基板表面に流れるのを禁止することによるものであ
る。と云うのは、前掲米国特許に示されているような場
合には、周知のように、シリコン基板の表面における界
面状態が自由担体をランダムに捕獲し放出することによ
り、信号電荷に雑音成分を生じさせるが、本発明では組
込みの電界によりこのような雑音成分が生じないからで
ある。また、少数担体の移動度は周知のように基板表面
よりも基板のバルク内では一層大きいので、応答速度も
よくなる。従来の検出装置と較べた別の利点は、作り易
さ、並びに2つの端子しか必要としないという点での使
い易さである。基板の表面に一層著しくドープした薄い
層を設けると、光の短い波長が減衰し、少数担体の寿命
が短くなるが、こういう特性は、薄い層を前述の様に組
込みの電界を作るのに必要な程度の厚さにとどめること
により、最小限に抑えることが出来る。この発明の検出
装置にとつて特に有利な構成材料は、基板が比抵抗10
オーム・センチメートルのシリコンであり、薄い層13
,14は厚さ約0.1ミクロン(0.0254m1L)
であつて比抵抗が0.05オーム・センチメートルであ
る。
基板の上に厚さ0.1ミクロンの2酸化シリコンの不働
態化層36を設ける。2酸化シリコンはバンドギヤツプ
が約10.5電子ボルトであり、従つてスペクトルの紫
外線部分の深い所から十分にスペクトルの赤外線部分に
わたる輻射線を透過する。
検出装置の応答は主にシリコン基板の応答によつて決定
される。波長の関数としての量子効率で表わしたシリコ
ンの応答は、スペクトルの紫外線部分の深い所からスペ
クトルの赤外線部分の短波長部分にわたつてすぐれてい
る。第1図の装置では、別々の薄い層13,14を用い
ているが、これらの向い合う縁がその長さに治つてP型
領域21とそれぞれ接触する様にしてもよい。
この場合、製造が簡単になる点で幾分有利である。この
発明をシリコン半導体材約で作つた装置について説明し
たが、この発明がゲルマニウム、燐化ガリウム及び砒化
ガリウムの様な他の半導体材料で作つた装置にも同じ様
に適用し得ることは勿論である。
この発明をP型の出力領域を持つN型の導電型の半導体
基板で構成した装置について説明したが、N型の出力領
域を持つP型基板も同様に使うことが出来ることは勿論
である。
この場合、薄い層13,14をP型の導電型にし、基板
よりも比抵抗を小さくすること、並びに印加する電圧の
極性を逆にすることは云う迄もない。第1図の回路では
、P型領域21をゼロ・バイアスで動作させたが、P型
領域21は基板に対して逆バイアスを加えて動作させて
もよい。
非反転端子32を大地に対して負にバイアスすれば、こ
ういう回路になる。第1図の装置には他の出力回路を用
いてもよい。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の輻射線感知装置の平面図、第2図は
第1図の装置を線2−2で切つた断面図で、内部構造を
示す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 一導電型であつて第1の比抵抗を持つ単結晶半導体
    材料の基板11を有し、該基板はその主面15に前記一
    導電型であつて前記第1の比抵抗よりも実質的に小さい
    第2の比抵抗を持つ薄い層13を含んでおり、前記基板
    の前記主面の近くで基板内に反対導電型の領域21が設
    けられていて、基板とPN接合22を形成し、該PN接
    合は半導体材料の前記薄い層13の縁に接近し且つそれ
    から隔たる第1の縁を持ち、半導体材料の前記薄い層1
    3の面積は前記反対導電型の領域21の面積より実質的
    に大きくなつており、そして、基板内で発生された少数
    担体の電荷の流れを感知するため前記PN接合と回路接
    続されている出力手段25、26、30−34を設けた
    輻射線感知装置。 2 特許請求の範囲1に記載した輻射線感知装置に於て
    、前記PN接合が前記一導電型の薄い層に隣接している
    輻射線感知装置。 3 特許請求の範囲1又は2に記載した輻射線感知装置
    に於て、前記第1の比抵抗が前記第2の比抵抗の少なく
    とも10倍である輻射線感知装置。 4 特許請求の範囲1乃至3のいずれか1項に記載した
    輻射線感知装置に於て、前記出力手段が前記PN接合を
    逆バイアスする手段を含んでいる輻射線感知装置。 5 特許請求の範囲1乃至3のいずれか1項に記載した
    輻射線感知装置に於て、前記出力手段が前記PN接合の
    バイアスをゼロにする手段を含んでいる輻射線感知装置
    。 6 特許請求の範囲1乃至5のいずれか1項に記載した
    輻射線感知装置に於て、前記薄い層及び反対導電型の前
    記領域の両方が細長い形であり、前記PN接合の前記第
    1の縁が略直線的であつて前記薄い層の縦軸線16と略
    平行である輻射線感知装置。 7 特許請求の範囲6に記載した輻射線感知装置に於て
    、前記基板の主面に前記一導電型であつて前記第2の比
    抵抗を持つ第2の薄い層14が設けられ、前記PN接合
    が略直線的な第2の縁を持ち、該第2の縁が前記第2の
    薄い層14の縁に接近し且つそれから隔たつていて、そ
    の縦軸線17と略平行である輻射線感知装置。 8 特許請求の範囲1乃至7のいずれか1項に記載した
    輻射線感知装置に於て、前記半導体材料がシリコンであ
    る輻射線感知装置。 9 特許請求の範囲1乃至8のいずれか1項に記載した
    輻射線感知装置に於て、前記一導電型の薄い層の上にシ
    ンチレータ35が重ねられている輻射線感知装置。
JP53153800A 1977-12-19 1978-12-14 輻射線感知装置 Expired JPS5928072B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US000000861673 1977-12-19
US05/861,673 US4146904A (en) 1977-12-19 1977-12-19 Radiation detector

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS5496981A JPS5496981A (en) 1979-07-31
JPS5928072B2 true JPS5928072B2 (ja) 1984-07-10

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ID=25336445

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JP53153800A Expired JPS5928072B2 (ja) 1977-12-19 1978-12-14 輻射線感知装置

Country Status (4)

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US (1) US4146904A (ja)
EP (1) EP0002694B1 (ja)
JP (1) JPS5928072B2 (ja)
DE (1) DE2861701D1 (ja)

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Also Published As

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US4146904A (en) 1979-03-27
EP0002694A1 (en) 1979-07-11
JPS5496981A (en) 1979-07-31
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