NL8201630A - Inrichting ten behoeve van signaalverwerking en trefplaat voor een dergelijke inrichting. - Google Patents

Description

PHN 10.330 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven

Inrichting ten behoeve van signaalverwerking en trefplaat voor een dergelijke inrichting,

De uitvinding betreft een inrichting voor het cmzetten van een analoog ingangssignaal in overeenkomstige digitale signalen bevattende een elektrcmenbron voor het. genereren van een vlakke elektronenbundel en afbuigplaten voor het afhankelijk van het ingangssignaal doen afbui-5 gen van de eléktronenbundel alsmede een trefplaat voor het opvangen van de afgebogen elektronenbundel welke trefplaat een halfgeleiderlichaam bevat met aan een hoofdoppervlak een eerste stel stralingsgevoelige halfgeleiderelementen die zodanig met een eerste deel van een patroon van voor straling praktisch ondoorlaatbaar materiaal bedekt zijn dat 10 in de stralingsgevoelige halfgeleiderelementen een aantal digitale signalen kan warden opgewekt die een aantal discrete toestanden van het ingangssignaal weergeven. Daarnaast betreft de uitvinding een trefplaat voor de genoemde inrichting.

Dergelijke inrichtingen worden bijvoorbeeld toegepast in appa-15 ratuur waarin analoge signalen bij zeer hoge frequenties (in de orde van 10-100 MHz) voor verdere verwerking cmgezet worden in digitale signalen.

Een inrichting van de bovengenoemde soort is bekend uit het artikel "Electron beam solves problems of high-speed digitizing" door R. Hayes, verschenen in "Industrial Research and Development", Vol. 22, 20 May 1980, pagina 124-130. Hierin wordt een digitaalcmzetter (digitizer) beschreven ten behoeve van oscilloscopie.

De aldaar getoonde inrichting bevat een elektronenbron waarmee een vlakke eléktronenbundel wordt gegenereerd. Na zonodig enige vorm-correcties te hebben ondergaan wordt de bundel tussen twee afbuigplaten 25 doorgevoerd waaraan het can te zetten analoge signaal als afbuigspanning wordt toegevoerd. Nadat de bundel hierdoor al dan niet is afgebogen bereikt deze een trefplaat die voorzien is van een aantal stralingsgevoelige dioden. Deze dioden zijn bedekt met een metaalpatroon dat een zekere code, in dit geval de Gray-code representeert. Afhankelijk van de 35 plaats waar de bundel de trefplaat treft worden meer of minder stralingsgevoelige dioden door deze elektronenbundel getroffen en gaan dientengevolge strocrn voeren. De van deze dioden afkomstige signalen worden vergeleken met een referentieniveau dat ongeveer op een gemiddelde waarde 8201630 ί * ΡΗΝ 10.330 2 r . ligt tussen het signaal afkomstig van een diode bij volledige bestraling en het signaal afkomstig van een onbestraalde diode. Bij deze vergelijking wordt het signaal als een logische "1" of als een logische "0" herkend en doorgegeven voor verdere verwerking in een digitale schakeling.

5 Aangezien deze inrichtingen veelal toegepast worden in snelle oscilloscopie en andere vormen van signaalverwerking waarbij snelle ana-loog-digitaal-cmzetting plaatsvindt is het van belang dat deze herkenning zo snel mogelijk plaatsvindt.

De onderhavige uitvinding stelt zich ten doel hierin te voor-10 zien en dientengevolge te bereiken dat dergelijke inrichtingen bij hogere frequenties gebruikt kunnen warden dan de bekende analoog-digitaaL cmzetters.

Een inrichting volgens de uitvinding heeft hiertoe het kenmerk dat het halfgeleiderlichaam aan het hoofdoppervlak voorzien is van een 15 tweede stel stralingsgevoelige halfgeleiderelementen die praktisch volledig bedekt zijn met een ten opzichte van het eerste deel gezien praktisch complementair tweede deel van het patroon van voor straling praktisch ondoorlaatbaar materiaal.

Onder praktisch complementair dient in dit verband niet te 20 worden begrepen dat delen van het eerste patroon geheel ontbreken ter plaatse van overeenkomstige delen van het tweede patroon. Wel wordt hiermee bedoeld dat waar een stralingsgevoelige diode of ander stralingsgevoelig halfgeleiderelement door bijvoorbeeld een eerste metaalpatroon bedekt is de complementaire diode doorgaans op de overeenkomstige plaats 25 voor althans het grootste gedeelte niet door het metaalpatroon of door een veel dunner metaalpatroon bedekt is en omgekeerd.

De uitvinding berust qp het inzicht dat het tegelijkertijd kunnen beschikken over een signaal en het bijbehorende complementaire signaal een zeer snelle verwerking van de signalen mogelijk maakt cmr 30 dat nu in plaats van een schakeling waarin een signaal wordt vergeleken met een referentieniveau een differentiaal versterker kan worden gebruikt cm de van de stralingsgevoelige halfgeleiderelementen afkomstige signalen als "0" of "1” te herkennen en aan een verwerkingseenheid toe te voeren. Het van de trefplaat afkomstige signaal en het hieraan ccm-35 plementaire signaal worden nu namelijk aan de beide ingangen van de differentiaalversterker, die eventueel in hetzelfde halfgeleiderlichaam kan worden gerealiseerd, toegevoerd waardoor de herkenning wordt versneld (push-pull-verwerking).

8201630 & 4 t EHN 10.330 3

Daarnaast kan het van een diergelijke differentiaalversterker afkanstig digitaal-signaal (en zonodig het complementaire signaal) aan meerdere verwerkingseenheden warden· afgegeven hetgeen de flexibiliteit ten aanzien van de gegevensverwerking vergroot.

5 Een geringe gevoeligheid voor uitrichtfouten van het vlak van de elektranenbundel ten opzichte van de trefplaat kan verkregen worden door het patroon van voor straling praktisch ondoorlaatbaar materiaal zodanig aan te brengen dat bij de overgang van een discrete toestand naar een volgende discrete toestand slechts in één paar stralingsge-10 voelige halfgeleiderelementen signaalveranderingen optreden, bijvoorbeeld door een patroon te gebruiken dat met behulp van de Gray-code wordt verkregen.

Een voorkeursuitvoering van een inrichting volgens de uitvinding heeft het kenmerk, dat ten minste één stel door complementaire 15 delen van het patroon van voor straling ondoorlaatbaar materiaal bedekte stralingsgevoelige halfgeleiderelementen aan ten minste één uiteinde van het patroon qp identieke wijze door dit patroon wordt bedekt of vrijgelaten.

Hiermee kan op eenvoudige wijze de maximale spanning, die 20 door de inrichting in een digitaal signaal kan worden omgezet, gedetecteerd worden.

Voor de onderlinge isolatie van de stralingsgevoelige halfgeleiderelementen en eventuele tussengelegen andere elementen, zoals bijvoorbeeld beschermingsdioden kan gebruik gemaakt worden van het prin-25 cipe zoals beschreven in de op 1 februari 1982 ter visie gelegde'Nederlandse Octrooiaanvrage No. 8003906 van Aanvraagster. Dit geeft een aanzienlijke ruimtebesparing omdat dan de afstand tussen deze elementen zeer klein gekozen kan worden (in de orde van 10 micrometer of minder).

Een trefplaat voor toepassing in een inrichting volgens de 30 uitvinding heeft het kenmerk, dat deze een halfgeleiderlichaam bevat met aan een hoofdoppervlak een eerste en een tweede stel stralingsgevoelige halfgeleiderelementen die bedekt zijn met ten opzichte van elkaar gezien praktisch complementaire delen van een patroon van voor straling ondoorlaatbaar materiaal.

35 De uitvinding zal thans nader worden toegelicht aan de hand van enkele uitvoeringsvoorbeelden en de tekening, waarin

Figuur 1 schematisch een inrichting volgens de uitvinding weergeeft; 8201630 r EHN 10.330 4

V

*

Figuur 2 in een schematisch bovenaanzien een deel van het ma-talliseringspatroon toont van een trefplaat voor toepassing in een dergelijke inrichting terwijl

Figuur 3 schematisch een dwarsdoorsnede toont van de trefplaat 5 volgens de lijn III-III in figuur 2 ai

Figuur 4 schematisch een alternatief toont voor de inrichting van figuur .3.; .

De figuren zijn schematisch en niet op schaal getekend waarbij, ter wille van de duidelijkheid, in de dwarsdoorsneden in het bijzonder 10 de afmetingen in de dücterichting sterk zijn overdreven. Halfgeleider-zones van hetzelfde geleidingstype zijn in het algemeen in dezelfde richting gearceerd; in de verschillende uitvoeringsvormen zijn overeenkomstige delen in de regel met dezelfde verwijzingscijfers aangeduid.

De inrichting van Figuur 1 bevat een kathode 2 waarmee een vlakke 15 elektronenbundel 3 wordt gegenereerd. De kathode kan van het conventionele type zijn (hete kathodes) maar met name voor het genereren van een vlakke eléktronenbundel met geringe dikte zijn de koude kathoden zoals beschreven in de qp 31 juli 1979 ter visie gelegde Nederlandse Octrooiaanvrage No. 7800987 en de qp 15 januari 1981 ter visie gelegde 20 Nederlandse Octrooiaanvrage No. 7905470 van Aanvraagster zeer geschikt.

Nadat de elektronen die deel uitmaken van de elektronenbundel 3 een versnellingselement 4 en een elektronenlens 5 ten behoeve van verticale focussering doorlopen hebben, worden zij afgebogen door de af-buigeléktroden 6, 7 waaraan een cm te zetten analoge spanning wordt 25 toegevoerd. Na nog een horizontale focusseringslens 8 en horizontale elektroden 9 ten behoeve van horizontale positionering gepasseerd, te hebben treft de elektronenbundel 3 een halfgeleider inrichting 11, gemonteerd qp een houder 10.

De halfgeleider 11 bevat een laagohmig substraat 23 (zie figuur 3) 30 van het n-geleidingstype waarop een n-type epitaxiale laag 24 is aangegroeid. In een eerste uitvoering (figuur 3) bevinden zich stralingsgevoelige dioden gevormd door de pn-overgangen 35 tussen de epitaxiale laat 24 en p-type oppervlaktegebieden 25. De onderlinge afstand tussen twee p-type oppervlaktegebieden 25 is hierbij zo klein gekozen , 35 bijvoorbeeld 10 micrometer, dat door het aanleggen over naast elkaar gelegen dioden van een sper spanning, die tevens de bedrijfsspanning is, de epitaxiale laag 24 tussen naastgelegen gebieden 25 vrijwel geheel gedepleerd kan worden door bij de pn-overgangen 35 beho- 8201630 » EHN 10330 5 rende uitputtingsgebieden 28. Door deze uitputtingsgebieden als het ware aan elkaar te laten raken huigen de elektrische veldlijnen zodanig af dat ten gevolge van het heersend elektrisch veld de in het uitputtings-gebied gegenereerde ladingsdragers zich praktisch altijd naar de bij-5 behorende pn-overgang begeven en zo bijdragen aan de in deze pn-over-gang opgewekte stroon. Voor een nadere beschrijving van dit mechanisme zij verwezen naar de pp 1 februari 1982 ter visie gelegde Nederlandse Octrooiaanvrage NP. 8003906 van Aanvraagster.

Het oppervlak 26 is bedekt met een isolerende laag 27 waarin 10 zich ccntactgaten 36 bevinden. Via deze contactgaten warden de onderliggende p-type gebieden 25 gecontacteerd door middel van een metalliserings-patroon van bijvoorbeeld aluminium dat gedeeltelijk is weergegeven in figuur 2. Dit patroon bedekt qp plaatsen 29 (zie figuren 2, 3) het onderliggende halfgeleiderlichaam geheel terwijl het pp plaatsen 30 15 het halfgeleiderlichaam voor het grootste deel onbedekt laat. In het onderhavige voorbeeld zijn de patronen van twee naast elkaar gelegen dioden complementair, dat wil zeggen dat over praktisch het gehele oppervlak van twee dioden bij naast elkaar gelegen delen de ene diode door het metaal patroon is bedekt en het naastgelegen deel van de an-20 dere diode praktisch onbedekt is. Wanneer de trefplaat nu getroffen wordt door de bundel 3, bijvoorbeeld zoals aangegeven in figuur 2 ter plaatse van de smalle band 34 zal een praktisch onbedekte diode stroom gaan voeren, terwijl de dioden, bedekt door de metaallaag 29 geen of vrijwel geen stroom voeren; deze stromen worden met behulp van weer-25 standen of anderszins omgezet in elektrische spanningen. Dit geeft aanleiding tot 2 complementaire signalen 12, 12' op de signaalpennen 13, 14 van de halfgeleiderinrichting 11, die worden toegevoerd aan de ingangs-transistoren 17, 18 van de schematisch weergegeven differentiaal versterker 15. De differentiaalversterker 15 bevat een stroombron 16. Afhan-30 kelijk van de waarde van de signalen 12, 12' voert êën van de beide transistoren 17, 18 stroom hetgeen aanleiding geeft tot een spannings-val over één van de beide weerstanden 19, 20. Deze spanningsval respectievelijk het ontbreken daarvan geeft aanleiding tot digitale signalen pp de signaallijnen 21, 21'. Deze signalen worden vervolgens,zonodig 35 via niet in figuur 1 getékende emittervolgers, toegevoerd aan een digitale verwerkingseenheid 22.

Doordat het cmschakelen van de door de stroombron 16 gegenereerde stroom van twee zijden plaatsvindt met behulp van de ccmplemen- 8201630 PHN 10.330 6 taire signalen 12, 12' die een tegengesteld signaalverloop vertonen, kan dit cmschakelen veel sneller geschieden dan bij het vergelijken van één enkel signaal met een vaste referentiewaarde.

Het metaalpatroon 29 in figuur 2. is aangebracht volgens de 5 Gray-code en zijn complement. Dit heeft het voordeel dat bij het veranderen van één discrete toestand in een volgende slechts in één stel complementaire dioden signaalverandering optreedt; dit heeft een betrouwbaarder werking van de inrichting ten gevolge. Hoewel hier slechts de bedekking van 4 dioden en de bijbehorende complementaire dioden wordt 10 getooid kan het aantal dioden uiteraard worden uitgebreid.

In de inrichting volgens figuur 4 zijn tussen de p-type oppervlakken 25 extra p-type gebieden 32 in de n-fype epitaxiale laag 24 aangebracht. De hierdoor ontstane pn-overgangen 36 vormen beschermings-dioden die door vorming van elektrische oppervlaktevelden de schadelijke 15 werking van invallende röntgenstraling enigszins beperken.

Het complementaire metaalpatroon bestaat in dit voorbeeld uit delen die tot het dikke metalliseringspatroon 29 behoren en in de ene diode het oppervlak geheel bedekken terwijl ter plaatse van overeenkomstige delen van de complementaire dioden het oppervlak bedekt is 2o met een dun metaallaagje 31. Dit metaal laagje 31 is voldoende dun cm zoveel elektronen door te laten dat in de onderliggende diode een stroom wordt gegenereerd bij als de diode ter plaatse van de dunne laag 31 door de elektronenbundel 3 wordt getroffen. De stralingsgevoelige dioden en de beschermingsdioden zijn in de gebruikstoestand weer zodanig 25 in de keerrichting voorgespannen dat de uitputtingszones behorend bij naast elkaar gelegen pn-overgangen 35, 36 aan elkaar raken.

Het in figuur 2 weergegeven metaalpatroon is bij één stel dioden aan één van zijn uiteinden, aangegeven met het verwijzingscijfer 33, niet met metaal bedekt. Hiermee wordt bereikt dat, wanneer de 3Q buidel 3, 34 deze uiteinden treft de bijbehorende complementaire dioden beiden stroom gaan voeren en de differentiaalversterker geen gedefinieerd signaal af geeft. Op deze wijze kan gedetecteerd worden wanneer de elektronenbundel het uiteinde van de trefplaat raakt en de analoog-digitaal-cmzetter de grens heeft bereikt, waarboven geen signalen meer 35 in digitale waarden kunnen worden omgezet. Eenzelfde effect wordt bereikt door ter plaatse van de uiteinden aangegeven net het verwijzingscijfer 33 beide dioden met een dikke metaallaag te bedekken.

Het spreekt vanzelf dat de uitvinding niet beperkt is tot de 8201630 PHN 10.330 7 -- «* t bovengenoemde voorbeelden maar dat binnen het kader van de uitvinding .. voor de vakman diverse variaties mogelijk zijn. Zo kunnen waar nu bij slechts één paar complementaire dioden de uiteinden 33 onbedekt zijn de uiteinden van meerdere paren complementaire dioden onbedekt g blijven. Evenmin behoeven, zoals in de figuren 2, 3 twee complementaire dioden direct naast elkaar te liggen, maar kunnen bijvoorbeeld een stel dioden bedekt met een masker met een Gray-code patroon aan één kant van de trefplaat liggen en een stel dioden bedekt met het complementaire patroon aan de andere kant, terwijl ook mengvormen mogelijk zijn. Met ju name wanneer de dioden waarover de fijnste structuur van het patroon 29 wordt aangebracht zich aan de beide uiterste zijden bevinden is de reeds eerder genoemde ongevoeligheid voor uitrichtfouten van de elektronenbundel optimaal.

In plaats van door het al of niet op gelijke wijze bedekt dan j5 wel onbedekt laten van de uiteinden van de dioden kunnen de signalen die het eind of begin van het signaalbereikt aangeven ook worden ontleend aan buiten de tekening van figuur 2 gelegen dioden, die daarnaast bijvoorbeeld ten behoeve van calibratie kunnen worden gébruikt.

Ook andere stralingsgevoelige elementen zoals stralingsge-2q voelige transistoren kunnen worden gebruikt. Daarnaast kan het gelei-dingstype van de gebieden 32 gelijk gekozen worden aan dat van de epi-taxiale laag; bij voldoend hoge dotering fungeren deze gebieden dan als kanaalonderbrekers. Tenslotte kunnen voor het patroon 29 andere materialen gekozen worden zoals bijvoorbeeld een dikke laag oxyde.

25 Bovendien kunnen, zoals reeds genoemd, de differentiaalver- sterker 15 en eventueel elementen van de verwerkingseenheid 22 in hetzelfde halfgeleiderlichaam verwerkt worden als waarin de^trefplaat wordt gerealiseerd.

30 35 8201630

Claims (14)

1. 2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de signalen afkomstig van een door een eerste deel van het patroon van voor straling praktisch ondoorlaatbaar materiaal bedekt stralingsgevoelig 20 halfgeleiderelement en van een tweede door een aan het eerste deel complementair deel van het patroon van voor straling praktisch ondoorlaatbaar materiaal bedekt stralingsgevoelig halfgeleiderelement worden toegevoerd aan complementaire ingangen van een differentiaalversterker die ten minste êên signaal kan afgeven aan een verwerkingseenheid.
2. 3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dathet patroon van voor straling praktisch ondoorlaatbaar materiaal zodanig is aangebracht dat bij de overgang van een discrete toestand naar een volgende discrete toestand slechts in êên paar stralingsgevoelige halfgeleiderelementen signaalveranderingen optreden.
3. 4. Inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat delen van het patroon van voor straling praktisch ondoorlaatbaar materiaal corresponderen met de "Q"-posities van de Gray-code en zijn complement.
4. 5. Inrichting volgens êên der vorige conclusies, met het kenmerk, dat ten minste êên stel door complementaire delen van het patroon 35 van voor straling praktisch ondoorlaatbaar materiaal bedekte stralingsgevoelige halfgeleiderelementen aan ten minste êên uiteinde van dit patroon op identieke wijze door dit patroon wordt bedekt of vrijgelaten.
5. 6. Inrichting volgens êên der vorige conclusies, met het kenmerk, 8201630 . -\ -, EHN 10.330 9 - dat het voor straling praktisch ondcorlaatbaar patroon een metaalpa-troon bevat.
6. 7. Inrichting volgens één der vorige conclusies , met het kenmerk, dat het halfgeleiderlichaam aan het hoofdoppervlak tussen twee 5 stralingsgevoelige halfgeleiderelementen een beschermingsdiode bevat.
7. 8. Inrichting volgens één der vorige conclusies, met het kenmerk, dat de stralingsgevoelige halfgeleiderelementen stralingsgevoelige dioden bevatten.
8. 9. Inrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de af-10 stand tussen naastgelegen dioden ten hoogste 10 micrometer bedraagt.
9. 10. Trefplaat voor toepassing in een inrichting volgens één der conclusies 1 tot en met 9, met het kenmerk , dat de trefplaat een halfgeleiderlichaam bevat met aan een hoofdoppervlak een eerste en een tweede stel stralingsgevoelige halfgeleiderelementen, die bedekt zijn 15 met ten opzichte van elkaar gezien praktisch complementaire delen van een patroon van voor straling praktisch ondoorlaatbaar materiaal.
10. 11. Trefplaat volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat delen van het patroon corresponderen met de "0,r-posities van de Gray-code en zijn complement. 20 12· Trefplaat volgens conclusie 10 of 11, met het kenmerk, dat ten minste één stel door complementaire delen van het patroon bedekte stralingsgevoelige halfgeleiderelementen aan ten minste één uiteinde van het patroon op identieke wijze door het patroon wordt bedekt of vrijgelaten.
11. 13. Trefplaat volgens één der. conclusies 10 tot en met 12, met het kenmerk dat het patroon een metaalpatroon bevat.
12. 14. Trefplaat volgens één der conclusies 10 tot en met 13, met het kenmerk, dat het halfgeleiderlichaam aan het hoofdoppervlak tussen twee stralingsgevoelige halfgeleiderelementen een beschermings- 3Q diode bevat.
13. 15. Trefplaat volgens één der conclusies 10 tot en met 14, met het kenmerk, dat de stralingsgevoelige halfgeleiderelementen stralingsgevoelige dioden bevatten.
14. 16. Trefplaat volgens conclusie 15, met het kenmerk, dat de af-35 stand tussen naastgelegen dioden ten hoogste 10 miereneter bedraagt. 8201630