RU2197036C2 - Coordinate detector of relativistic particles - Google Patents
Coordinate detector of relativistic particles Download PDFInfo
- Publication number
- RU2197036C2 RU2197036C2 RU2000123523/28A RU2000123523A RU2197036C2 RU 2197036 C2 RU2197036 C2 RU 2197036C2 RU 2000123523/28 A RU2000123523/28 A RU 2000123523/28A RU 2000123523 A RU2000123523 A RU 2000123523A RU 2197036 C2 RU2197036 C2 RU 2197036C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- region
- bipolar
- detector
- coordinate detector
- bipolar structure
- Prior art date
Links
- 239000002245 particle Substances 0.000 title claims abstract description 30
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 8
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 7
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 10
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 9
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 7
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 5
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 4
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 4
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 4
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 230000005865 ionizing radiation Effects 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 description 1
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/115—Devices sensitive to very short wavelength, e.g. X-rays, gamma-rays or corpuscular radiation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
- H01L31/035272—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
- H01L31/035281—Shape of the body
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Measurement Of Radiation (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к полупроводниковым детекторам релятивистских частиц, применяемых в области ядерного приборостроения, и может быть, в частности, использовано при создании детекторов релятивистских частиц, нейтронного и рентгеновского излучений. The invention relates to semiconductor detectors of relativistic particles used in the field of nuclear instrumentation, and can be, in particular, used to create detectors of relativistic particles, neutron and x-ray radiation.
Известны координатно-чувствительные детекторы (КЧД) [1], [2], в которых один из электродов обратно смещенного p-n-перехода со стороны падения потока частиц выполняется в виде резистивного слоя с двумя контактами на его краях. Второй электрод - задний обеспечивает омический контакт к полупроводниковой пластине. Заряд, образованный частицей в p-n-переходе детектора, растекается по 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 (С). Known coordinate sensitive detectors (PSD) [1], [2], in which one of the electrodes of the reverse biased p-n junction from the side of the falling particle stream is made in the form of a resistive layer with two contacts at its edges. The second electrode, the back one, provides ohmic contact to the semiconductor wafer. The charge formed by the particle in the pn junction of the detector spreads across the contacts, and the time that the charge spreads, that is, the time the signal from the detector appears when the particle enters, is determined by the time constant of an RC line with distributed parameters in which the resistive layer forms an active resistance (R ), and the pn junction is the capacitance (C).
Такой детектор не обеспечивает значительного быстродействия (~1 ns) при регистрации, например, α-частиц, поскольку постоянная времени RC для детекторов площадью 1 см2 (которые имеют практический интерес) весьма велика (более 1 мкс), а низкая чувствительность обусловлена отсутствием усиления ионизационного тока в p-n-переходных структурах детектора.Such a detector does not provide significant speed (~ 1 ns) when registering, for example, α particles, since the RC time constant for detectors with an area of 1 cm 2 (which are of practical interest) is very large (more than 1 μs), and the low sensitivity is due to the absence of amplification ionization current in pn-junction structures of the detector.
Данный недостаток частично устраняется в координатном чувствительном детекторе, в котором в качестве детектирующих элементов используются биполярные транзисторы, эмиттеры которых образуют электроды матрицы, параллельные ортогональным координатам Х и Y [3]. Этот детектор по технической сущности является наиболее близким к заявляемому и выбирается в качестве прототипа. This drawback is partially eliminated in a coordinate sensitive detector, in which bipolar transistors are used as detecting elements, the emitters of which form matrix electrodes parallel to the orthogonal coordinates X and Y [3]. This detector by technical nature is the closest to the claimed and is selected as a prototype.
Детектор-прототип также имеет ограниченные чувствительность и быстродействие (разрешение по определению времени попадания частиц), так как заряд электронно-дырочных пар, собираемый коллекторными p-n-переходами биполярных транзисторов, частично рекомбинирует в квазинейтральной области базы, частично проходит без усиления через паразитные емкости коллекторного p-n-- и эмиттерного n+-p-переходов и соизмерим по величине с уровнем шумов биполярного транзистора.The prototype detector also has limited sensitivity and speed (resolution for determining the time of particle ingress), since the charge of electron-hole pairs collected by the collector pn junctions of bipolar transistors partially recombines in the quasineutral region of the base, partially passes without amplification through the stray capacitances of the collector pn - - and emitter n + -p junctions and is comparable in magnitude with the noise level of a bipolar transistor.
В настоящем изобретении ставится задача повышения чувствительности и точности полупроводникового координатного детектора. Вторая задача, решаемая в изобретении, заключается в повышении быстродействия. В изобретении дополнительно решается задача повышения надежности при одновременном упрощении его конструкции. Указанные задачи решены в координатном детекторе релятивистских частиц, содержащем двумерную матрицу полупроводниковых детектирующих элементов - пикселов, выполненных в полупроводниковой пластине, шины, к которым присоединены упомянутые детектирующие элементы, параллельные координатным осям, упомянутые детектирующие элементы - пикселы выполнены в виде биполярных структур с тремя слоями с чередующимся типом проводимости, имеющих низколегированную промежуточную область, которая перекрывается областями пространственного заряда, примыкающих к ней p-n-переходов упомянутой биполярной структуры. The present invention seeks to increase the sensitivity and accuracy of a semiconductor coordinate detector. The second task solved in the invention is to increase performance. The invention further solves the problem of improving reliability while simplifying its design. These problems are solved in a coordinate detector of relativistic particles, containing a two-dimensional matrix of semiconductor detecting elements - pixels, made in a semiconductor wafer, buses, to which these detection elements are attached, parallel to the coordinate axes, the said detection elements - pixels are made in the form of bipolar structures with three layers with an alternating type of conductivity having a low-doped intermediate region, which is overlapped by regions of space charge, pr abutting thereto p-n-transitions of said bipolar structure.
Указанные задачи решены также в координатном детекторе релятивистских частиц, содержащем двумерную матрицу полупроводниковых детектирующих элементов - пикселов, выполненных в полупроводниковой пластине, шины, к которым присоединены упомянутые детектирующие элементы, параллельные координатным осям; упомянутые детектирующие элементы - пикселы выполнены в виде двухзатворных полевых транзисторных структур, у которых один из затворов совмещен с подложкой. These problems are also solved in a coordinate detector of relativistic particles, containing a two-dimensional matrix of semiconductor detecting elements - pixels made in a semiconductor wafer, buses, to which the aforementioned detecting elements are connected, parallel to the coordinate axes; said detecting elements - pixels are made in the form of double-gate field-effect transistor structures, in which one of the gates is combined with the substrate.
Отличие первого варианта координатного детектора заключается в том, что упомянутые детектирующие элементы - пикселы выполнены в виде биполярных структур с тремя слоями с чередующимся типом проводимости, имеющих низколегированную промежуточную область, которая перекрывается областями пространственного заряда, примыкающих к ней p-n-переходов упомянутой биполярной структуры. The difference between the first variant of the coordinate detector is that the said detecting elements - pixels are made in the form of bipolar structures with three layers with an alternating type of conductivity, having a low-doped intermediate region, which overlaps with the space charge regions adjacent to it pn junctions of the said bipolar structure.
Отличие второго варианта координатного детектора заключается в том, что низколегированная промежуточная область биполярной структуры частично перекрывается областями пространственного заряда, примыкающих к ней p-n-переходов упомянутой биполярной структуры. The difference between the second variant of the coordinate detector is that the low-doped intermediate region of the bipolar structure is partially overlapped by the regions of space charge adjacent to it pn junctions of the bipolar structure.
Отличие третьего варианта координатного детектора заключается в том, что в промежуточной области биполярной структуры расположена дополнительная сильнолегированная область с омическим контактом. The difference between the third version of the coordinate detector is that in the intermediate region of the bipolar structure there is an additional highly doped region with an ohmic contact.
Отличие четвертого варианта координатного детектора заключается в том, что пикселы выполнены в виде двухэмиттерных структур. The difference between the fourth version of the coordinate detector is that the pixels are made in the form of two-emitter structures.
Отличие пятого варианта координатного детектора заключается в том, что содержит дополнительно включенную биполярную структуру с тремя слоями с чередующимся типом проводимости, которая совмещена одной крайней областью с крайней областью упомянутой двухполюсной биполярной структуры, а средней областью с другой крайней областью упомянутой двухполюсной структуры. The difference of the fifth variant of the coordinate detector is that it contains an additionally included bipolar structure with three layers with an alternating type of conductivity, which is combined with one extreme region with the extreme region of the bipolar bipolar structure, and the middle region with the other extreme region of the bipolar structure.
Отличие шестого варианта координатного детектора заключается в том, что к одной из крайних областей упомянутой биполярной структуры подключен затвор дополнительного МОП-транзистора. The difference of the sixth variant of the coordinate detector is that the gate of an additional MOS transistor is connected to one of the extreme regions of the aforementioned bipolar structure.
Отличие седьмого варианта координатного детектора заключается в том, что к стоку упомянутого дополнительного МОП-транзистора подключен исток второго дополнительного транзистора, сток и затвор которого соединены с шинами матрицы. The difference of the seventh variant of the coordinate detector is that the source of the second additional transistor is connected to the drain of the mentioned additional MOS transistor, the drain and gate of which are connected to the matrix buses.
Отличие восьмого варианта координатного детектора заключается в том, что упомянутые детектирующие элементы - пикселы выполнены в виде двухзатворных полевых транзисторных структур, у которых один из затворов совмещен с подложкой. The difference of the eighth version of the coordinate detector is that the said detecting elements - pixels are made in the form of double-gate field-effect transistor structures, in which one of the gates is combined with the substrate.
Отличие девятого варианта координатного детектора заключается в том, что детектирующие элементы выполнены в виде полевых транзисторных структур с вертикальным каналом и истоком, совмещенным с подложкой. The difference of the ninth version of the coordinate detector is that the detecting elements are made in the form of field-effect transistor structures with a vertical channel and a source aligned with the substrate.
Область базы р(n)-типа с толщиной wb полностью перекрывается областями пространственного заряда эмиттерного (dэ) и коллекторного (Dк) p-n-переходов, т.е. Wб ≤dэ+dк.The base region of the p (n) -type with the thickness w b is completely overlapped by the spatial charge regions of the emitter (d e ) and collector (D k ) pn junctions, i.e. W b ≤d e + d to .
С целью повышения надежности и быстродействия работы детектора область базы р(n)-типа со стороной Wб только частично перекрывается областями пространственного заряда эмиттерного и коллекторного p-n переходов, т. е. Wб>dэ+dк.In order to increase the reliability and speed of operation of the detector, the region of the base of the p (n) -type with side W b is only partially overlapped by the space charge regions of the emitter and collector pn junctions, i.e., W b > d e + d k .
С целью повышения быстродействия пиксел выполняется транзисторами, для этого область базы содержит дополнительную сильнолегированную квазинейтральнуго р(n)-область, на которой формируется электрод базы. In order to improve the speed, the pixel is performed by transistors; for this, the base region contains an additional highly doped quasi-neutral p (n) -region on which the base electrode is formed.
С целью упрощения детектора и повышения точности определения координат детектирующие элементы - пикселы выполняются 2-эмиттерными. In order to simplify the detector and improve the accuracy of determining the coordinates of the detecting elements - the pixels are 2-emitter.
С целью повышения чувствительности в качестве детектирующих элементов используются функционально-интегрированные структуры из биполярных двухполюсных транзисторных пикселов, у которых объединены области коллекторов, а также эмиттерный и базовый электроды. С целью повышения точности измерения детектора эмиттеры детектирующих элементов подключены к затворам функционально-интегрированных с ними p(n)-канальных полевых транзисторов. In order to increase sensitivity, functionally integrated structures of bipolar bipolar transistor pixels, in which collector regions, as well as emitter and base electrodes, are used as detecting elements. In order to increase the accuracy of the detector measurement, the emitters of the detecting elements are connected to the gates of the functionally integrated p (n) -channel field-effect transistors with them.
При регистрации релятивистских частиц, приходящих одновременно, эмиттеры детектирующих элементов подключены к затворам функционально-интегрированных с ними n(р)-канальных МОП-транзисторов. When registering relativistic particles arriving simultaneously, the emitters of the detecting elements are connected to the gates of the n (p) -channel MOS transistors functionally integrated with them.
С целью увеличения чувствительности и улучшения соотношения сигнал/шум детектор выполняется слоистым из нескольких матриц пикселов, сигнал с которых суммируется. In order to increase the sensitivity and improve the signal-to-noise ratio, the detector is layered from several matrixes of pixels from which the signal is summed.
Изобретение поясняется приведенными чертежами. The invention is illustrated by the drawings.
Фиг. 1 - эквивалентная электрическая схема детектирующего элемента матрицы - пиксела двухполюсного согласно изобретению. FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of a detecting element of a matrix-pixel bipolar according to the invention.
Фиг.2 - вид сверху на топологию диодного пиксела согласно изобретению. Figure 2 is a top view of the topology of the diode pixel according to the invention.
Фиг.3 - поперечный разрез конструкции диодного пиксела согласно изобретению. Figure 3 is a cross-sectional view of the structure of a diode pixel according to the invention.
Фиг.4 - эквивалентная электрическая схема двухполюсного пиксела согласно изобретению. 4 is an equivalent circuit diagram of a bipolar pixel according to the invention.
Фиг. 5 - вид сверху на структуру двухполюсного пиксела согласно изобретению. FIG. 5 is a plan view of a bipolar pixel structure according to the invention.
Фиг.6 - поперечный разрез структуры двухполюсного пиксела согласно изобретению. 6 is a cross-sectional view of the structure of a bipolar pixel according to the invention.
Фиг. 7 - эквивалентная электрическая схема триодного пиксела согласно изобретению. FIG. 7 is an equivalent circuit diagram of a triode pixel according to the invention.
Фиг.8 - вид сверху структуры триодного пиксела согласно изобретению. Fig. 8 is a plan view of a triode pixel structure according to the invention.
Фиг. 9 - поперечный разрез структуры триодного пиксела согласно изобретению. FIG. 9 is a cross-sectional view of a triode pixel structure according to the invention.
Фиг.10 - эквивалентная электрическая схема 2-эмитторного триодного пиксела согласно изобретению. 10 is an equivalent circuit diagram of a 2-emitter triode pixel according to the invention.
Фиг. 11 - вид сверху структуры 2-эмитторного триодного пиксела согласно изобретению. FIG. 11 is a plan view of a structure of a 2-emitter triode pixel according to the invention.
Фиг. 12 - поперечный разрез структуры 2-эмитторного триодного пиксела согласно изобретению. FIG. 12 is a cross-sectional view of a structure of a 2-emitter triode pixel according to the invention.
Фиг. 13 - эквивалентная электрическая схема функционально-интегрированного двухполюсного транзисторного пиксела согласно изобретению. FIG. 13 is an equivalent circuit diagram of a functionally integrated bipolar transistor pixel according to the invention.
Фиг. 14 - вид сверху структуры функционально-интегрированного двухполюсного транзисторного пиксела согласно изобретению. FIG. 14 is a plan view of the structure of a functionally integrated bipolar transistor pixel according to the invention.
Фиг. 15 - поперечный разрез структуры функционально-интегрированного двухполюсного транзисторного пиксела согласно изобретению. FIG. 15 is a cross-sectional view of the structure of a functionally integrated bipolar transistor pixel according to the invention.
На фиг. 1, 2 и 3 изображен детектирующий элемент двухполюсного пиксела матрицы детектора. Его слаболегированная полупроводниковая подложка - n-типа (1), состоит из квазинейтральной части (2) и области пространственного заряда (3). На обратной стороне подложки (1) расположена n+ - сильнолегированная контактная область (4), имеющая омический контакт с металлическим электродом (5) шины питания Ucc. На внешней стороне подложки расположена слаболегированная область р- или n-типа (6), в которой расположена сильнолегированная область эммитера n+-типа (7) и области пространственного заряда коллектора - dk (8) и эммитера (9), на поверхности области n+-эммитера расположен выходной электрод (10). Структура пиксела частично изолирована от подложки (1) диэлектриком (11).In FIG. 1, 2, and 3 depict a detection element of a bipolar pixel of a detector matrix. Its lightly doped semiconductor substrate is n-type (1), consists of the quasineutral part (2) and the space charge region (3). On the reverse side of the substrate (1), there is an n + - heavily doped contact region (4) having ohmic contact with the metal electrode (5) of the power supply bus U cc . On the outer side of the substrate, there is a lightly doped region of p- or n-type (6), in which there is a heavily doped region of an n + type emitter (7) and a space charge region of the collector — d k (8) and emitter (9), n + emitter is located output electrode (10). The pixel structure is partially isolated from the substrate (1) by a dielectric (11).
На фиг. 4, 5 и 6 изображен пиксел, в котором область базы (6) содержит квазинейтральную область р-типа (12). In FIG. 4, 5 and 6, a pixel is depicted in which the base region (6) contains a p-type quasineutral region (12).
На фиг. 7, 8 и 9 изображен транзисторный пиксел, содержащий сильнолегированную область р+-типа (13) с расположенным на ней базовым электродом (14).In FIG. 7, 8, and 9 show a transistor pixel containing a heavily doped region of a p + type (13) with a base electrode (14) located on it.
На фиг. 10, 11 и 12 изображен транзисторный 2-эммитерный пиксел, содержащий дополнительный n+-эммитер (15) и электрод к нему (16).In FIG. 10, 11 and 12 show a transistor 2-emitter pixel containing an additional n + emitter (15) and an electrode to it (16).
На фиг.13, 14 и 15 изображен детектирующий элемент, представляющий собой функционально-интегрированную структуру двухполюсных транзисторных пикселов, имеющих общую область пространственного заряда (3) в подложке (1). On Fig, 14 and 15 depicts a detecting element, which is a functionally integrated structure of bipolar transistor pixels having a common space charge region (3) in the substrate (1).
Координатный детектор релятивистских частиц работает следующим образом. The coordinate detector of relativistic particles works as follows.
При подключении напряжения питания (Ucc) к детектору и попадании релятивистской частицы в двухполюсный пиксел детектора в его полупроводниковом материале генерируются электронно-дырочные пары. Они в основном собираются в области пространственного заряда (dk) слаболегированного коллекторного p-n-перехода структуры (см. фиг.3), величина которой много больше топологической ширины р--базы, т. е. Dk>>Wb, и образуют первичный ионизационный ток Iион.When the supply voltage (U cc ) is connected to the detector and the relativistic particle enters the bipolar pixel of the detector, electron-hole pairs are generated in its semiconductor material. They are mainly collected in the space charge region (d k ) of the lightly doped collector pn junction of the structure (see Fig. 3), the magnitude of which is much larger than the topological width of the p - base, i.e., D k >> W b , and form primary ionization current I ion .
Важным является обстоятельство, что при подаче достаточно высокого импульсного напряжения питания Ucc происходит смыкание областей пространственного заряда коллекторного и эммитерного p-n-переходов (П1 изобретения). Это приводит к полному удалению подвижных дырок из р-области базы (см. фиг.1-3) аналогично, как это происходит в приборах с зарядовой связью [4]. Таким образом, области базы структуры превращаются в потенциальную яму для дырок. При этом достигается высокий коэффициент усиления в схеме с общей базой α и общим эммитером
т. к. коэффициент переноса тока в базе αт становится близким к единице вследствие равенства нулю ширины квазинейтральной части базы (Wb.k=0) [4], т.е.An important circumstance is that when a sufficiently high pulsed supply voltage U cc is applied, the areas of space charge of the collector and emitter pn junctions are closed (P1 of the invention). This leads to the complete removal of moving holes from the p-region of the base (see Fig.1-3) in the same way as in charge-coupled devices [4]. Thus, the base regions of the structure turn into a potential well for holes. This achieves a high gain in a circuit with a common base α and a common emitter
since the current transfer coefficient in the base α t becomes close to unity due to the equality to zero of the width of the quasineutral part of the base (W bk = 0) [4], ie
γ ≈ 1/(1+ Dp•Nb•Wb/Dn•Ne•We) при Wb и We << Ln и Lp,
где Lp - диффузионная длина для дырок;
Ln - диффузионная длина для электронов;
γ - коэффициент эффективности эммитера;
Ne - концентрация донорной примеси в эммитере;
тогда β0≈Ne/Nb-1;
Nb - концентрация акцепторной в базе;
Wb - технологическая толщина базы.
γ ≈ 1 / (1+ D p • N b • W b / D n • Ne e • W e ) for W b and W e << L n and L p ,
where L p is the diffusion length for holes;
L n is the diffusion length for electrons;
γ is the emitter efficiency coefficient;
N e is the concentration of donor impurities in the emitter;
then β 0 ≈N e / N b -1;
N b is the acceptor concentration in the base;
W b is the technological thickness of the base.
Отсюда выходной ток диодного пиксела - ток эммитера Ie равен
Ie = Iион•Ne/Nb•Wb.Hence the output current of the diode pixel - the emitter current I e is
I e = I ion • N e / N b • W b .
Однако тепловая генерация дырок в области базы и коллектора приводит к постепенному их накоплению в потенциальной яме области базы и коллектора при отсутствии электронно-дырочных пар, вызванных взаимодействием с релятивистской частицей, что требует периодической регенерации базы (≈10 мкс). However, thermal generation of holes in the region of the base and collector leads to their gradual accumulation in the potential well of the region of the base and collector in the absence of electron-hole pairs caused by interaction with a relativistic particle, which requires periodic regeneration of the base (≈10 μs).
Менее эффективным по усилению, но более простым и стабильным по разбросу β0 представляется режим работы диодного пиксела при наличии квазинейтральной части Wb.k. в области базы (см. П2 и фиг.4, 5, 6). В этом случае коэффициент усиления β0≈αт. При этом в диодных пикселах объем (ширина и толщина) и концентрация примеси Nb выполняются весьма малыми, так что выполняется соотношение: р=n>Nb.The diode pixel operation mode in the presence of a quasineutral part of W bk in the base region seems to be less effective in gain, but simpler and more stable in scatter β 0 (see A2 and Figs. 4, 5, 6). In this case, the gain is β 0 ≈α t . Moreover, in diode pixels, the volume (width and thickness) and impurity concentration N b are very small, so that the relation: p = n> N b is satisfied.
Это приводит к высокому соотношению сигнал/шум и уменьшает влияние паразитных диффузионной и барьерной емкостей. Следует отметить, что диодные пикселы представляют собой функциональный элемент, в котором интегрируется биполярная инжекционная усилительная n-p-n-структура с потенциальной ямой в области базы. This leads to a high signal to noise ratio and reduces the influence of stray diffusion and barrier capacitances. It should be noted that diode pixels are a functional element in which a bipolar injection amplification n-p-n-structure with a potential well in the base region is integrated.
Если поток радиационных частиц весьма интенсивен (α-частиц V>107 α/с), целесообразно использовать транзисторную структуру (см. фиг.7, 8, 9), в которой базовый электрод подсоединяется к фиксированному потенциалу.If the flux of radiation particles is very intense (α-particles V> 10 7 α / s), it is advisable to use a transistor structure (see Figs. 7, 8, 9), in which the base electrode is connected to a fixed potential.
Детектирующие элементы - двухполюсные и транзисторные пикселы могут быть выполнены 2- или 3-эмиттерными (см. фиг.10, 11, 12), что позволяет использовать только одну пластину для определения двух координат и повысить точность их определения (см. фиг.10, 11, 12). Detecting elements - bipolar and transistor pixels can be made 2- or 3-emitter (see figure 10, 11, 12), which allows you to use only one plate to determine two coordinates and increase the accuracy of their determination (see figure 10, 11, 12).
Чувствительность детектора может быть существенно повышена за счет функциональной интеграции последовательно включенных двухполюсного и транзисторного пикселов, имеющих общую область сбора носителей заряда в коллекторе (см. фиг.13, 14, 15). В этом случае общий коэффициент усиления по току равен произведению их коэффициентов усиления. The sensitivity of the detector can be significantly increased due to the functional integration of series-connected bipolar and transistor pixels having a common collection area of charge carriers in the collector (see Figs. 13, 14, 15). In this case, the total current gain is equal to the product of their gain.
К сожалению, регистрация одновременно приходящих частиц детекторами, реализованными на основе изобретений, представленных ранее, невозможна. Однако решением данной задачи является функциональная интеграция двухполюсного или транзисторного пикселов с МОП-транзистором, затворная емкость которого выполняет функции элемента памяти конденсаторного типа. В этом случае усиленные пикселами ионизационные токи, создаваемые одновременно с прохождением релятивистских частиц, заряжают соответствующие затворные МОП-конденсаторы, которые хранят заряд в течение времени, достаточного для их последовательного считывания. Например, это можно осуществить с помощью дополнительно введенного МОП-транзистора для 2-координатного способа. Следует отметить, что МОП-транзисторы могут быть полностью диэлектрически изолированными от полупроводниковой подложки. Unfortunately, registration of simultaneously arriving particles with detectors implemented on the basis of the inventions presented earlier is not possible. However, the solution to this problem is the functional integration of bipolar or transistor pixels with a MOS transistor, the gate capacitance of which serves as a memory element of a capacitor type. In this case, pixel-enhanced ionization currents created simultaneously with the passage of relativistic particles charge the corresponding gate MOS capacitors, which store the charge for a time sufficient for their sequential reading. For example, this can be done using an additionally introduced MOS transistor for the 2-axis method. It should be noted that MOS transistors can be completely dielectric isolated from the semiconductor substrate.
Чувствительность детектора при регистрации нейтронного излучения может быть увеличена путем нанесения на поверхность детектора водородосодержащих (органических) и люминесцентных соединений. Взаимодействие с водородосодержащими соединениями нейтронного излучения издает регистрируемые детектором протоны отдачи, а взаимодействие рентгеновского излучения с люминесцентными материалами создает в пикселах детектора потоки световых квантов, генерирующих ионизационные токи. The sensitivity of the detector during registration of neutron radiation can be increased by applying hydrogen-containing (organic) and luminescent compounds to the surface of the detector. Interaction with hydrogen-containing neutron radiation compounds produces recoil protons recorded by the detector, and the interaction of X-rays with luminescent materials creates fluxes of light quanta generating ionization currents in the detector pixels.
Пример практической реализации. An example of practical implementation.
Прохождение релятивистской частицы через полупроводниковую структуру пиксела детектора вызывает генерацию (~104) электронно-дырочных пар на длине пробега в кремнии LSi=100 мкм [5]. Задаваясь напряжением обратного смещения коллекторного перехода Ucc=100 В и величиной области пространственного заряда в коллекторе с dк=100 мкм, можно получить из выражения
где ε0 и εSi - диэлектрические постоянные вакуума и кремния;
φK - контактная разность потенциалов;
q - заряд электрона;
значение NВ= 1013 см-3, соответствующее удельному сопротивлению кремния ρSi~ 300 Ом•см, который широко применяется в настоящее время в промышленности.The passage of a relativistic particle through the semiconductor structure of the detector pixel causes the generation (~ 10 4 ) of electron-hole pairs at the mean free path in silicon L Si = 100 μm [5]. Given the reverse bias voltage of the collector junction U cc = 100 V and the magnitude of the space charge region in the collector with d к = 100 μm, one can obtain from the expression
where ε 0 and ε Si are the dielectric constants of vacuum and silicon;
φ K is the contact potential difference;
q is the electron charge;
the value of N B = 10 13 cm -3 , corresponding to the specific resistance of silicon ρ Si ~ 300 Ohm • cm, which is widely used at present in industry.
Амплитуда дрейфовой составляющей ионизационного тока может быть определена из выражения
где nОПЗ ≈ nг = 104 - число электронов, генерируемых в области dк;
tпр - время пролета электронов через область dк; учитывая, что скорость дрейфа
νдр = E•μe = B/см<<Eкр,
где 
νнас=0,6•107 см/с - скорость насыщения электронов;
Амплитуда диффузионной составляющей ионизационного тока Iдиф весьма мала и ей можно пренебречь.The amplitude of the drift component of the ionization current can be determined from the expression
where n SCR ≈ n g = 10 4 is the number of electrons generated in the region d to ;
t CR - time of flight of electrons through the region d to ; given that drift speed
ν dr = E • μ e = B / cm << E cr ,
Where
ν us = 0.6 • 10 7 cm / s is the electron saturation rate;
The amplitude of the diffusion component of the ionization current I diff is very small and can be neglected.
где Ln, Dn - диффузионная длина и коэффициент диффузии для электронов;
nКНО - число электронов, генерируемых в квазинейтральной области кремния на длине LKHO;
Учитывая, что величина собственного генерационного тока Iген в области пространственного заряда равна
где ni - концентрация электронов в кремнии с собственной проводимостью;
τ0 - время жизни электронов;
Wк = объем области пространственного заряда толщиной dк.
where L n , D n - diffusion length and diffusion coefficient for electrons;
n KNO is the number of electrons generated in the quasi-neutral region of silicon along the length L KHO ;
Given that the value of the own generation current I gene in the space charge region is equal to
where n i is the concentration of electrons in silicon with intrinsic conductivity;
τ 0 is the electron lifetime;
W to = the volume of the space charge region of thickness d to .
Величиной теплового тока можно пренебречь, т.к. The value of the thermal current can be neglected, because
Задаваясь характерными размерами площадей эмиттерного и коллекторного p-n-переходов, легко реализуемыми практически, Ар-n=3 мкм • 3 мкм, имеем величину барьерной емкости эмиттерного перехода
и его диффузионной емкости
где Uбэ - напряжение на переходе база-эмиттер, близко к нулю;
Т - абсолютная температура;
k - постоянная Больцмана.
Given the characteristic sizes of the areas of the emitter and collector pn junctions, which can be easily realized practically, And pn = 3 μm • 3 μm, we have the value of the barrier capacitance of the emitter
and its diffusion capacity
where U BE is the voltage at the base-emitter junction, close to zero;
T is the absolute temperature;
k is the Boltzmann constant.
Таким образом, перепад напряжения ΔUдр на барьерной емкости от Iдр
Учитывая, что коэффициент усиления тока базы в схеме с общим коллектором β0≥100 для транзисторных структур с глубиной эмиттерного (xэ=0,5 мкм) и коллекторного (xк=1,0 мкм) переходов имеем ток эмиттера для пиксела
Iэ = (β0+1)•Iдр≈0,1•10-6 A.
Учитывая соотношения для среднеквадратичного шумового тока коллектора
где Iш = Iген;
Δf - ширина полосы частот, в которой измеряется шум;
имеем 
Таким образом, из теоретических расчетов следует, что данный детектор обеспечивает надежное детектирование релятивистских частиц.Thus, the voltage drop ΔU dr at the barrier capacitance from I dr
Given that the base current gain in the circuit with a common collector β 0 ≥100 for transistor structures with emitter depth (x e = 0.5 μm) and collector (x k = 1.0 μm) junctions, we have the emitter current for a pixel
I e = (β 0 +1) • I dr ≈0.1 • 10 -6 A.
Given the relationships for the rms noise collector current
where I W = I gene ;
Δf is the width of the frequency band in which noise is measured;
we have
Thus, from theoretical calculations it follows that this detector provides reliable detection of relativistic particles.
Подтверждением перспективности данного детектора служат экспериментальные результаты, которые были получены на макетных образцах детектора при детектировании α-частиц, которые опубликованы в [6]. The prospects of this detector are confirmed by the experimental results that were obtained on prototype mock-ups of the detector during the detection of α particles, which were published in [6].
Важно отметить, что быстродействие детектора обусловлено высоким уровнем тока (мощности) выходного сигнала и возможностью его локального усиления в пределах пиксела при использовании функционально-интегрированных элементов, описанных в П5. В этом случае время выборки информации с детектора площадью 100•100 мкм2 не превышает 20 нс.It is important to note that the speed of the detector is due to the high level of current (power) of the output signal and the possibility of its local amplification within the pixel when using the functionally integrated elements described in A5. In this case, the sampling time of information from a detector with an area of 100 • 100 μm 2 does not exceed 20 ns.
Область базы р(n)-типа с толщиной Wb полностью перекрывается областями пространственного заряда эмиттерного (dэ) и коллекторного (dк) p-n-переходов, т.е. Wб ≤dэ+dк.The base region of the p (n) -type with thickness W b is completely overlapped by the spatial charge regions of the emitter (de) and collector (d k ) pn junctions, i.e. W b ≤d e + d to .
С целью повышения надежности и быстродействия работы детектора область базы р(n)-типа со стороной Wб только частично перекрывается областями пространственного заряда эмиттерного и коллекторного p-n-переходов, т. е. Wб>dэ+dк.In order to increase the reliability and speed of the detector, the base region of the p (n) -type with the side W b only partially overlaps the space charge regions of the emitter and collector pn junctions, i.e., W b > d e + d k .
С целью повышения быстродействия пиксел выполняется транзисторами, для этого область базы содержит дополнительную сильнолегированную квазинейтральную р(n)-область, на которой формируется электрод базы. In order to improve the speed, the pixel is performed by transistors; for this, the base region contains an additional highly doped quasi-neutral p (n) -region on which the base electrode is formed.
С целью упрощения детектора и повышения точности определения координат детектирующие элементы - пикселы выполняются 2-эмиттерными. In order to simplify the detector and improve the accuracy of determining the coordinates of the detecting elements - the pixels are 2-emitter.
С целью повышения чувствительности в качестве детектирующих элементов используются функционально-интегрированные структуры из биполярных двухполюсных транзисторных пикселов, у которых объединены области коллекторов, а также эмиттерный и базовый электроды. С целью повышения точности измерения детектора эмиттеры детектирующих элементов подключены к затворам функционально-интегрированных с ними p(n)-канальных полевых транзисторов. In order to increase sensitivity, functionally integrated structures of bipolar bipolar transistor pixels, in which collector regions, as well as emitter and base electrodes, are used as detecting elements. In order to increase the accuracy of the detector measurement, the emitters of the detecting elements are connected to the gates of the functionally integrated p (n) -channel field-effect transistors with them.
При регистрации релятивистских частиц, приходящих одновременно, эмиттеры детектирующих элементов подключены к затворам функционально-интегрированных с ними n(p)-канальных МОП-транзисторов. When registering relativistic particles arriving simultaneously, the emitters of the detecting elements are connected to the gates of the n (p) -channel MOS transistors functionally integrated with them.
С целью увеличения чувствительности и улучшения соотношения сигнал/шум детектор выполняется слоистым из нескольких матриц пикселов, сигнал с которых суммируется. Далее изобретение поясняется приведенными чертежами. In order to increase the sensitivity and improve the signal-to-noise ratio, the detector is layered from several matrixes of pixels from which the signal is summed. The invention is further illustrated by the drawings.
ЛИТЕРАТУРА
1. Klanner R. Silicon detectors //I bid, 1985. VA235 1 p. 209-215.LITERATURE
1. Klanner R. Silicon detectors // I bid, 1985.
2. Горн Л.С., Хазанов Б.И. Современные приборы для измерения ионизирующих излучений. М.: Энергоатомиздат, 1989 г., стр. 85-87. 2. Horn L.S., Khazanov B.I. Modern instruments for measuring ionizing radiation. M .: Energoatomizdat, 1989, pp. 85-87.
3. Мелешко Е.А., Мурашов В.Н., Павлов Д.В., Тарабрин Ю.А., Яковлев Г.В. Координатно-чувствительный детектор. Патент на изобретение 2133524 от 20 июля 1999 г. Российская федерация. 3. Meleshko EA, Murashov VN, Pavlov DV, Tarabrin Yu.A., Yakovlev G.V. Coordinate sensitive detector. Patent for invention 2133524 dated July 20, 1999. Russian Federation.
4. С.Зи. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир, 1984 г., т.1, стр. 150-155, 429-430. 4. S.Z. Physics of semiconductor devices. M .: Mir, 1984, vol. 1, pp. 150-155, 429-430.
5. Аваев Н.А., Наумов Ю.Е. Элементы сверхбольших интегральных схем. М.: Радио и связь, 1986 г., стр. 68-72. 5. Avaev N.A., Naumov Yu.E. Elements of super-large integrated circuits. M .: Radio and communications, 1986, pp. 68-72.
6. A. L. Klimov, V.N. Murachev, D.V. Pavlov, V.A. Tarabrin, G.V. Yakovlev. Application of semiconductor detectors in nuclear phusical problems, Riga, Latvia, May 18-22, 1988 г. The prospect of Alfa-particles detection by bipolar matrix devices. 6. A. L. Klimov, V.N. Murachev, D.V. Pavlov, V.A. Tarabrin, G.V. Yakovlev. Application of semiconductor detectors in nuclear phusical problems, Riga, Latvia, May 18-22, 1988. The prospect of Alfa-particles detection by bipolar matrix devices.
Claims (7)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000123523/28A RU2197036C2 (en) | 2000-09-13 | 2000-09-13 | Coordinate detector of relativistic particles |
| PCT/RU2001/000374 WO2002023554A2 (en) | 2000-09-13 | 2001-09-11 | Co-ordinate detector of relativistic particles |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000123523/28A RU2197036C2 (en) | 2000-09-13 | 2000-09-13 | Coordinate detector of relativistic particles |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2000123523A RU2000123523A (en) | 2002-09-10 |
| RU2197036C2 true RU2197036C2 (en) | 2003-01-20 |
Family
ID=20239994
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2000123523/28A RU2197036C2 (en) | 2000-09-13 | 2000-09-13 | Coordinate detector of relativistic particles |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2197036C2 (en) |
| WO (1) | WO2002023554A2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005103761A1 (en) * | 2004-04-23 | 2005-11-03 | Obschestvo S Ogranichennoi Otvetstvennostju 'nauchno-Tekhnichesky Tsentr Prikladnoi Fiziki Ntts Pf' | Semiconductor sensor for recording neutron accompanying charged particles in a static vacuum neutron generator |
| RU2494497C2 (en) * | 2011-07-21 | 2013-09-27 | Виктор Николаевич Мурашев | Mos-diode cell of solid radiation detector |
| RU2532241C1 (en) * | 2013-05-15 | 2014-10-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Monolithic rapid coordinate detector of ionising particles |
-
2000
- 2000-09-13 RU RU2000123523/28A patent/RU2197036C2/en not_active IP Right Cessation
-
2001
- 2001-09-11 WO PCT/RU2001/000374 patent/WO2002023554A2/en not_active Application Discontinuation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ГОРН Л.С., ХАЗАНОВ Б.И. Современные приборы для измерения ионизирующих излучений. - М.: Энергоатомиздат, 1989, с. 85-87. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005103761A1 (en) * | 2004-04-23 | 2005-11-03 | Obschestvo S Ogranichennoi Otvetstvennostju 'nauchno-Tekhnichesky Tsentr Prikladnoi Fiziki Ntts Pf' | Semiconductor sensor for recording neutron accompanying charged particles in a static vacuum neutron generator |
| RU2494497C2 (en) * | 2011-07-21 | 2013-09-27 | Виктор Николаевич Мурашев | Mos-diode cell of solid radiation detector |
| RU2532241C1 (en) * | 2013-05-15 | 2014-10-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Monolithic rapid coordinate detector of ionising particles |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2002023554A2 (en) | 2002-03-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6333504B1 (en) | Semiconductor radiation detector with enhanced charge collection | |
| RU2376678C2 (en) | Semiconductor radiation detector with modified internal gate structure | |
| JP3093799B2 (en) | Semiconductor radiation detector with enhanced charge collection ability | |
| JP4170411B2 (en) | High-speed radiation detector | |
| JPS6149822B2 (en) | ||
| Li et al. | Study of silicon pixel sensor for synchrotron radiation detection | |
| Parker | A proposed VLSI pixel device for particle detection | |
| US20090206436A1 (en) | Semiconductor apparatus | |
| RU2494497C2 (en) | Mos-diode cell of solid radiation detector | |
| EP0002694B1 (en) | Radiation detector | |
| RU2197036C2 (en) | Coordinate detector of relativistic particles | |
| EP0347953B1 (en) | Impurity band conduction semiconductor devices | |
| JPH077844B2 (en) | Static induction type semiconductor photoelectric conversion device | |
| US8148760B2 (en) | Visible light detecting semiconductor radiation detector | |
| Struder et al. | First tests with fully depleted PN-CCD's | |
| US4101924A (en) | Semiconductor radiation detector | |
| JP4397685B2 (en) | Semiconductor detector | |
| Hall | Silicon drift chambers | |
| Murashev et al. | Monolithic ionizing particle detector based on active matrix of functionally integrated structures | |
| Gramsch | Noise characteristics of avalanche photodiode arrays of the bevel-edge type | |
| Kemmer | Advanced concepts for semiconductor nuclear radiation detectors | |
| Hrisoho | Front-end electronics for HEP | |
| Dutta et al. | A reduced capacitance concept for high-speed optical position-sensitive devices (PSDs) | |
| Rancoita et al. | Undepleted silicon detectors | |
| Webster | A pixelized gallium arsenide radiation detector |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20040914 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent | ||
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20070914 |