RU2133524C1

RU2133524C1 - Coordinate-sensitive detector ( versions )

Info

Publication number: RU2133524C1
Application number: RU98114584A
Authority: RU
Inventors: Е.А. Мелешко; В.Н. Мурашев; Д.В. Павлов; Ю.А. Тарабрин; Г.В. Яковлев
Original assignee: Мелешко Евгений Алексеевич; Мурашев Виктор Николаевич; Павлов Дмитрий Владимирович; Тарабрин Юрий Александрович; Яковлев Генрих Васильевич
Priority date: 1998-07-29
Filing date: 1998-07-29
Publication date: 1999-07-20

Abstract

FIELD: nuclear instrumentation and microelectronics. SUBSTANCE: two-emitter bipolar transistor which first emitter is connected to electrode parallel to coordinate axis X and which second emitter is connected to electrode parallel to coordinate axis Y is used in the capacity of detecting element of matrix in proposed detector. These electrodes are located on side of hitting of detector by particles and collector of transistor is connected to common supply electrode of detector. Composite bipolar transistor composed of single-emitter and two-emitter transistors in which emitter of single- emitter transistor is connected to base of two-emitter transistor and collectors of single- and two-emitter transistors are connected to common electrode of supply of detector can be used as detecting element of matrix. First emitter of two-emitter transistor is connected to electrode parallel to coordinate axis X and second emitter of same transistor is linked to electrode parallel to coordinate axis Y. Mentioned electrodes are located on side of hitting of detector by particles. Combination of diode and two-emitter bipolar transistor in which cathode of diode and collector of transistor are connected to common electrode of supply of detector and anode of diode is linked to base of transistor can be used as detecting element of matrix. In this case first emitter of transistor is connected to electrode parallel to coordinate axis X and second emitter of it is linked to electrode parallel to coordinate axis Y. Mentioned electrodes are located on side of hitting of detector by particles. EFFECT: enhanced speed of response, sensitivity and coordinate resolution of detector. 4 cl, 6 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области ядерного приборостроения и микроэлектроники и может быть использовано при создании координатно-чувствительных детекторов альфа-частиц, тяжелых частиц и ионов. The present invention relates to the field of nuclear instrumentation and microelectronics and can be used to create coordinate-sensitive detectors of alpha particles, heavy particles and ions.

Известен одномерный координатно-чувствительный детектор (КЧД) [1], в котором один из электродов обратного смещения p-n-перехода со стороны падения потока частиц выполнен в виде резистивного слоя с двумя контактами на его краях, второй, задний, электрод обеспечивает омический контакт с полупроводниковой пластиной. Заряд, образованный в p-n-переходе детектора частицей, растекается к контактам, при этом время растекания заряда, то есть время появления сигнала с детектора о попадании частицы определяется постоянной времени RC-линии с распределенными параметрами, в которой резистивный слой образует активное сопротивление R, а p-n-переход - емкость C. Known one-dimensional coordinate-sensitive detector (QCD) [1], in which one of the electrodes of the reverse bias of the pn junction from the side of the falling particle flux is made in the form of a resistive layer with two contacts at its edges, the second, rear electrode provides ohmic contact with the semiconductor plate. The charge formed in the pn junction of the detector by the particle spreads to the contacts, while the charge spreading time, i.e., the time of appearance of the signal from the detector about the particle’s hit, is determined by the time constant of the RC line with distributed parameters, in which the resistive layer forms the active resistance R, and pn junction - capacitance C.

Такой детектор не обеспечивает высокого быстродействия и чувствительности при регистрации, например, альфа-частиц, поскольку постоянная времени RC для детекторов площадью более 1 см² (которые имеют практический интерес, в частности, в системах нейтронографии) весьма велика и составляет более 1 мкс.Such a detector does not provide high speed and sensitivity when registering, for example, alpha particles, since the RC time constant for detectors larger than 1 cm ² (which are of practical interest, in particular in neutron diffraction systems) is very large and exceeds 1 μs.

Известен двухмерный КЧД [2] , который выбран в качестве прототипа, с более высокими быстродействием и чувствительностью, в котором в качестве детектирующих элементов используются полупроводниковые диоды, образующие матрицу, при этом электроды, расположенные со стороны попадания частиц в детектор, соединяющие аноды диодов, параллельны координатной оси X, а электроды, расположенные с противоположной стороны детектора и соединяющие катоды диодов, параллельны координатной оси Y. Known two-dimensional QCD [2], which is selected as a prototype, with higher speed and sensitivity, in which semiconductor diodes that form a matrix are used as detecting elements, while the electrodes located on the side of the particles entering the detector connecting the anodes of the diodes are parallel coordinate axis X, and the electrodes located on the opposite side of the detector and connecting the cathodes of the diodes are parallel to the coordinate axis Y.

Однако указанный детектор также имеет недостаточное быстродействие и чувствительность, т.е. разрешение по времени попадания частицы, так как заряд от попадания частицы, собираемый p-n-переходом диода, достаточно мал, менее 3 • 10^5 электронно-дырочных пар на одну альфа-частицу [3], и не позволяет зарядить суммарную барьерную емкость p-n-переходов диодов за время менее 100 нс, поскольку диод не обладает коэффициентом усиления ионизационного тока. Кроме того, удаленность электродов, параллельных координате Y, находящихся на обратной стороне детектора, ограничивает координатное разрешение КЧД величиной ~ 10 мкм. However, this detector also has insufficient speed and sensitivity, i.e. the time resolution of the particle’s impact, since the charge from the particle’s collection, collected by the pn junction of the diode, is sufficiently small, less than 3 • 10 ^ 5 electron-hole pairs per alpha particle [3], and does not allow charging the total barrier capacitance pn- diode transitions in less than 100 ns, since the diode does not have an ionization current gain. In addition, the remoteness of the electrodes parallel to the Y coordinate located on the back of the detector limits the coordinate resolution of the PSD to ~ 10 μm.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение быстродействия, чувствительности и координатного разрешения детектора. The problem to which the invention is directed, is to increase the speed, sensitivity and coordinate resolution of the detector.

Решение задачи достигается тем, что в качестве детектирующих элементов матрицы двухмерного КЧД (Вариант 1) используются двухэмиттерные биполярные транзисторы, у которых первый эмиттер подсоединен к электроду, параллельному координатной оси X, второй эмиттер подсоединен к электроду, параллельному координатной оси Y, причем упомянутые электроды расположены со стороны попадания в детектор частиц, а коллекторы транзисторов подсоединены к общему электроду питания детектора. The solution to the problem is achieved by using two-emitter bipolar transistors as the detecting elements of the two-dimensional PSD matrix (Option 1), in which the first emitter is connected to the electrode parallel to the X axis, the second emitter is connected to the electrode parallel to the Y axis, and the above electrodes are from the side of getting into the detector of particles, and the collectors of transistors are connected to a common electrode of the detector.

Суть данного технического решения поясняется чертежами: на фиг. 1 показана конструкция детектора, на фиг. 2 - его топология (единая для всех вариантов), а на фиг. 3 - его электрическая схема. The essence of this technical solution is illustrated by the drawings: in FIG. 1 shows the design of the detector; FIG. 2 - its topology (common for all variants), and in FIG. 3 - its electrical circuit.

КЧД содержит детектирующие элементы в виде двухэмиттерных биполярных транзисторов 1, образующих двухмерную матрицу 2, электроды 3, параллельные координате X, электроды 4, параллельные координате Y, общий электрод питания 5. Первый эмиттер (Э1) двухэмиттерного транзистора 1 подсоединен к электроду 3, параллельному координатной оси X, а второй эмиттер (Э2) подсоединен к электроду 4, параллельному координатной оси Y, причем все электроды 3 и 4 расположены со стороны попадания частицы в детектор, а коллекторы (К) транзисторов подсоединены к общему электроду питания матрицы 5. QCD contains detecting elements in the form of two-emitter bipolar transistors 1, forming a two-dimensional matrix 2, electrodes 3, parallel to the X coordinate, electrodes 4, parallel to the Y coordinate, common power electrode 5. The first emitter (E1) of the two-emitter transistor 1 is connected to the electrode 3, parallel to the coordinate axis X, and the second emitter (E2) is connected to the electrode 4 parallel to the coordinate axis Y, with all the electrodes 3 and 4 located on the side of the particle entering the detector, and the collectors (K) of the transistors connected to a common electric matrix power cable 5.

Для пояснения внутренней структуры детектора и его связей с внешними устройствами на фиг. 1 дополнительно указаны: Б - база двухэмиттерного биполярного транзистора; Е - внешний вывод электрода питания; Y - внешний вывод одного из электродов, параллельных координатной оси Y; X1-X3 - внешние выводы электродов, параллельных оси X. To explain the internal structure of the detector and its relationships with external devices in FIG. 1 are additionally indicated: B - base of a two-emitter bipolar transistor; E is the external output of the power electrode; Y is the external terminal of one of the electrodes parallel to the coordinate axis Y; X1-X3 - external terminals of the electrodes parallel to the X axis.

КЧД работает следующим образом. QCD works as follows.

При попадании, например, альфа-частицы в область базы или коллектора биполярного транзистора генерируется ~ 3 • 10^5 электронно-дырочных пар, которые собираются в основном коллекторным p-n-переходом, образуя первичный ионизационный ток I_ион величиною ~ 0,01 мА, который усиливается за счет транзисторного эффекта в h21э раз, (h21э - коэффициент передачи тока для схемы с общим эмиттером), в результате чего ток эмиттера I_э, который является информационным сигналом, равен I_э = I_ион • h21э = ~ 0,01 мА • 100 = 1,0 мА.When, for example, an alpha particle enters the region of the base or collector of a bipolar transistor, ~ 3 • 10 ^ 5 electron-hole pairs are generated, which are collected mainly by the collector pn junction, forming the primary ionization current I _ion of ~ 0.01 mA, which amplified due to the transistor effect by a factor of h21e, (h21e is the current transfer coefficient for a circuit with a common emitter), as a result of which the emitter current I _e , which is an information signal, is I _e = I _ion • h21e = ~ 0.01 mA • 100 = 1.0 mA.

Усиление первичного ионизационного тока I_ион происходит достаточно быстро - за время, равное времени пролета электронов через базу, которое для современных транзисторов составляет 10 - 100 нс. Учитывая, что h21э ~ 100, локальное усиление сигнала позволяет резко уменьшить постоянную времени t (t = R_вн • C_р), определяющую быстродействие детектора и определяемую внутренним сопротивлением детектирующего элемента R_вн и распределенной емкостью C_р длинной электродной линии. Считая, что R_вн ~ E_п/I_э = 5 В/1,0 мА = 5 кОм, где E_п - напряжение питания детектора, I_э - сила эмиттерного тока и C_р = C • n = 0,2 • 10^(-15) • 1000 = 2 • 10^(-13)Ф, где C - емкость эмиттерного p-n-перехода (C ~ 2 • 10^(-15)Ф), n - число детектирующих элементов в строке (n ~ 1000), найдем, что постоянная времени t = 5000 Ом • 2 • 10^(-13)Ф = 10^(-9) с.The amplification of the primary ionization current I _ion occurs quite quickly - for a time equal to the time of flight of electrons through the base, which for modern transistors is 10 - 100 ns. Considering that h21e ~ 100, local signal amplification can sharply reduce the time constant t (t = R _vn • C _p ), which determines the speed of the detector and is determined by the internal resistance of the detecting element R _vn and the distributed capacitance C _{p of the} long electrode line. Assuming that R _int ~ E _p / I _e = 5 V / 1.0 mA = 5 kOhm, where E _p is the detector supply voltage, I _e is the emitter current strength and C _p = C • n = 0.2 • 10 ^ (- 15) • 1000 = 2 • 10 ^ (- 13) Ф, where C is the capacitance of the emitter pn junction (C ~ 2 • 10 ^ (- 15) Ф), n is the number of detecting elements in the row (n ~ 1000), we find that the time constant t = 5000 Ohm • 2 • 10 ^ (- 13) Ф = 10 ^ (- 9) s.

В данной конструкции каждый транзистор имеет два эмиттера, подключенных к соответствующим электродам 3 и 4, поэтому при попадании частицы в детектирующий элемент возникают "броски" тока в указанных электродах. Эти импульсы тока регистрируются внешними по отношению к детектору устройствами (на фигурах не показаны), которые фиксируют момент прихода частицы, а также координаты сработавшего элемента матрицы, а следовательно, и координаты попадания частицы. In this design, each transistor has two emitters connected to the corresponding electrodes 3 and 4, therefore, when a particle enters the detecting element, current surges occur in these electrodes. These current pulses are recorded by devices external to the detector (not shown in the figures) that record the moment of arrival of the particle, as well as the coordinates of the triggered matrix element, and therefore the coordinates of the particle’s impact.

С целью снижения погрешности регистрации времени прихода частицы путем уменьшения фронтов токовых импульсов базы всех двухэмиттерных транзисторов 1 матрицы подсоединены через резисторы 6 к шине смещения 7 (см. фиг. 4). In order to reduce the error of registration of the particle arrival time by reducing the edges of the current pulses, the bases of all two-emitter transistors 1 of the matrix are connected through resistors 6 to the bias bus 7 (see Fig. 4).

Поскольку в предложенном детекторе процессы рождения и сбора электронно-дырочных пар (носителей заряда), а также усиления тока, связанного с поглощением частиц, происходят в достаточно тонком слое, определяемом длиной пробега детектируемых частиц, и сосредоточены вблизи передней поверхности матрицы 2, то размеры ее элементов могут быть достаточно малыми и соизмеримыми с минимальной фотолитографической нормой (1 - 5 мкм). Этими размерами и определяется координатное разрешение КЧД. Since in the proposed detector the processes of creation and collection of electron-hole pairs (charge carriers), as well as amplification of the current associated with the absorption of particles, occur in a rather thin layer, determined by the mean free path of the detected particles, and are concentrated near the front surface of matrix 2, its dimensions elements can be quite small and commensurate with the minimum photolithographic norm (1 - 5 microns). These dimensions determine the coordinate resolution of the PSD.

Решение задачи достигается также тем, что в качестве детектирующих элементов двухмерной матрицы используются составные биополярные транзисторы (Вариант 2), состоящие из одноэмиттерного и двухэмиттерного транзисторов, в которых эмиттер одноэмиттерного транзистора подсоединен к базе двухэмиттерного транзистора, а коллекторы одно- и двухэмиттерного транзисторов подсоединены к общему электроду питания детектора, первый эмиттер двухэмиттерного транзистора подсоединен к электроду, параллельному координатной оси X, а второй эмиттер - к электроду, параллельному координатной оси Y, причем упомянутые электроды расположены со стороны попадания в детектор частиц. The solution to the problem is also achieved by the fact that as the detecting elements of the two-dimensional matrix, composite biopolar transistors are used (Option 2), consisting of single-emitter and two-emitter transistors, in which the emitter of the single-emitter transistor is connected to the base of the two-emitter transistor, and the collectors of the one- and two-emitter transistors are connected to the common detector power supply, the first emitter of a two-emitter transistor is connected to an electrode parallel to the X coordinate axis, and the second emitter to ktrodu parallel to the Y coordinate axis, wherein said electrodes are arranged on the part falling into a particle detector.

Данное техническое решение поясняется электрической схемой (см. фиг. 5). This technical solution is illustrated by the electrical circuit (see Fig. 5).

КЧД содержит детектирующие элементы 1, состоящие из одноэмиттерных транзисторов 1а и двухэмиттерных транзисторов 1б, образующие двухмерную матрицу, электроды 3, параллельные координатной оси X, электроды 4, параллельные координатной оси Y. Коллекторы всех транзисторов подключены к общему электроду питания 5 (на фиг. 5 не показан). В каждом детектирующем элементе 1 эмиттер одноэмиттерного транзистора 1а подсоединен к базе двухэмиттерного транзистора 1б. The QCD contains detecting elements 1, consisting of single-emitter transistors 1a and two-emitter transistors 1b, forming a two-dimensional matrix, electrodes 3 parallel to the X axis, electrodes 4 parallel to the Y axis. The collectors of all transistors are connected to a common power electrode 5 (in Fig. 5 not shown). In each detecting element 1, the emitter of the single-emitter transistor 1a is connected to the base of the two-emitter transistor 1b.

Одноэмиттерный транзистор 1а выполняет собственно детектирование частиц, а двухэмиттерный транзистор 1б обеспечивает усиление тока одноэмиттерного транзистора и формирование и передачу импульсов к соответствующим электродам 3 и 4. The single-emitter transistor 1a performs the actual detection of particles, and the two-emitter transistor 1b provides amplification of the current of the single-emitter transistor and the formation and transmission of pulses to the corresponding electrodes 3 and 4.

Процессы генерации первичного ионизационного тока, его усиления и регистрации реализуются в данной конструкции детектора аналогично варианту 1. The processes of primary ionization current generation, its amplification, and registration are implemented in this detector design similarly to option 1.

Для частиц малых энергий (менее 1 МэВ) данный вариант конструкции детектора предпочтительней, т.к. коэффициент усиления ионизационного тока, определяемый величиной (h21э1 • h21э2), больше, чем в варианте 1, где h21э1 - коэффициент передачи тока для схемы с общим эмиттером первого транзистора, h21э2 - коэффициент передачи тока для схемы с общим эмиттером второго двухэмиттерного транзистора. For particles of low energies (less than 1 MeV), this detector design option is preferable, because the ionization current gain, determined by the value (h21e1 • h21e2), is greater than in option 1, where h21e1 is the current transfer coefficient for a circuit with a common emitter of the first transistor, h21e2 is the current transfer coefficient for a circuit with a common emitter of a second two-emitter transistor.

Решение задачи достигается также тем (Вариант 3), что в качестве детектирующего элемента двухмерной матрицы используется комбинация диода и двухэмиттерного биполярного транзистора, в которой катод диода и коллектор транзистора подсоединены к общему электроду питания детектора, а анод диода - к базе транзистора, причем первый эмиттер транзистора подсоединен к электроду, параллельному координатной оси X, а второй эмиттер - к электроду, параллельному координатной оси Y, причем упомянутые электроды расположены со стороны попадания в детектор частиц. The solution to the problem is also achieved by (Option 3) that, as a detecting element of a two-dimensional matrix, a combination of a diode and a two-emitter bipolar transistor is used, in which the cathode of the diode and the collector of the transistor are connected to a common detector power electrode and the diode anode to the base of the transistor, the first emitter the transistor is connected to an electrode parallel to the coordinate axis X, and the second emitter is connected to an electrode parallel to the coordinate axis Y, and said electrodes are located on the side of the detector particles.

Данное техническое решение поясняется электрической схемой (см. фиг. 6). This technical solution is illustrated by the electrical circuit (see Fig. 6).

КЧД содержит детектирующие элементы 1, состоящие из полупроводникового диода 1а и двухэмиттерного биполярного транзистора 1б, образующие двухмерную матрицу 2, электроды 3, параллельные координатной оси X, электроды 4, параллельные координатной оси Y. В каждом детектирующем элементе 1 матрицы катод диода и коллектор транзистора подсоединены к общему электроду питания детектора, а анод диода - к базе транзистора, причем первый эмиттер транзистора подсоединен к электроду 3, параллельному координатной оси X, а второй эмиттер - к электроду 4, параллельному координатной оси Y. The QCD contains detecting elements 1, consisting of a semiconductor diode 1a and a two-emitter bipolar transistor 1b, forming a two-dimensional matrix 2, electrodes 3 parallel to the X axis, electrodes 4 parallel to the Y axis. In each detection element 1 of the matrix, the diode cathode and collector of the transistor are connected to the detector’s common power electrode, and the diode’s anode to the base of the transistor, the first emitter of the transistor connected to electrode 3 parallel to the X axis, and the second emitter to electrode 4, parallel Y axis.

Полупроводниковый диод 1а выполняет собственно детектирование частиц, а двухэмиттерный транзистор 1б обеспечивает усиление тока одноэмиттерного транзистора и формирование и передачу импульсов к соответствующим электродам 3 и 4 аналогично вариантам 1 и 2. The semiconductor diode 1a performs the actual detection of particles, and the two-emitter transistor 1b provides amplification of the current of the single-emitter transistor and the formation and transmission of pulses to the corresponding electrodes 3 and 4 similarly to options 1 and 2.

Обладая при меньшем количестве компонентов детектирующего элемента теми же быстродействием и координатным разрешением, как и детектор по варианту 2, данная конструкция КЧД отличается большей технологичностью. Having fewer components of the detecting element with the same speed and coordinate resolution as the detector according to option 2, this design of the PSP is more technologically advanced.

С целью снижения погрешности регистрации времени прихода частицы путем уменьшения фронтов токовых импульсов (аналогично вариантам 1 и 2) базы всех двухэмиттерных транзисторов матрицы подсоединены через резисторы 6 к шине смещения 7. In order to reduce the error of registration of the particle arrival time by reducing the edges of the current pulses (similar to options 1 and 2), the bases of all two-emitter transistors of the matrix are connected through resistors 6 to the bias bus 7.

Авторами был изготовлен опытный макет КЧД по варианту 1, состоящий из 100 элементов на базе транзисторов КТ 315 и резисторов ОМЛТ-1 кОм ± 10%, который показал способность регистрировать альфа-частицы с энергией свыше 5 МэВ. The authors made a prototype PSD prototype according to option 1, consisting of 100 elements based on KT 315 transistors and OMLT-1 resistors kOhm ± 10%, which showed the ability to detect alpha particles with energies above 5 MeV.

Детектор обладает следующими характеристиками: чувствительность - 10^5 электронно-дырочных пар на частицу и быстродействие ~ 10 нс. The detector has the following characteristics: sensitivity - 10 ^ 5 electron-hole pairs per particle and speed ~ 10 ns.

Источники информации:
1. Klanner R. Silicon detectors//Ibid. 1985. V. A235, N 1, p. 209 - 215.Sources of information:
1. Klanner R. Silicon detectors // Ibid. 1985. V. A235, N 1, p. 209 - 215.

2. Горн Л.С., Хазанов Б.И. Современные приборы для измерения ионизирующих излучений. - М.: Энергоатомиздат, 1989, с. 85 - 87. 2. Horn L.S., Khazanov B.I. Modern instruments for measuring ionizing radiation. - M .: Energoatomizdat, 1989, p. 85 - 87.

3. Аваев Н.А., Наумов Ю.Е. Элементы сверхбольших интегральных схем. - М. : Радио и связь, 1986. с. 68 - 72. 3. Avaev N.A., Naumov Yu.E. Elements of super-large integrated circuits. - M.: Radio and communications, 1986. p. 68 - 72.

Claims

1. A coordinate-sensitive detector containing a two-dimensional matrix of semiconductor detecting elements made in a semiconductor wafer connected to electrodes parallel to the corresponding coordinate axes X and Y, at least some of which are located on the side of the particles entering the detector, characterized in that as a detecting element of the matrix, a two-emitter bipolar transistor is used, the first emitter of which is connected to an electrode parallel to the coordinate axis X, the second emitter p is connected to an electrode parallel to the Y coordinate axis, said electrodes being located on the side of falling into the particle detector, and transistor collectors are connected to a common detector power electrode.

2. Coordinate-sensitive detector containing a two-dimensional matrix of semiconductor detecting elements made in a semiconductor wafer connected to electrodes parallel to the corresponding coordinate axes X and Y, at least some of which are located on the side of the particles entering the detector, characterized in that as a detecting element of the matrix, a composite bipolar transistor is used, consisting of one- and two-emitter transistors, in which the emitter of a single-emitter transistor under is connected to the base of the two-emitter transistor, and the collectors of the one-and two-emitter transistors are connected to the common power electrode of the detector, the first emitter of the two-emitter transistor is connected to the electrode parallel to the coordinate axis X, and the second emitter to the electrode parallel to the coordinate axis Y, and these electrodes are located with side of getting into the particle detector.

3. Coordinate-sensitive detector containing a two-dimensional matrix of semiconductor detecting elements made in a semiconductor wafer connected to electrodes parallel to the corresponding coordinate axes X and Y, at least some of which are located on the side of the particles entering the detector, characterized in that as a detecting element of the matrix, a combination of a diode and a two-emitter bipolar transistor is used, in which the cathode of the diode and the collector of the transistor are connected to a common electron ode power detector, and an anode of diode - to the base of the transistor, the emitter of the first transistor is connected to the electrode parallel to coordinate axis X, and a second emitter - to the electrode parallel to the coordinate Y axis, wherein said electrodes are arranged on the part falling into a particle detector.

4. The detector according to claims 1 to 3, characterized in that the base of the transistors of the matrix are connected through a resistor to the bias bus.