RU2494497C2 - Mos-diode cell of solid radiation detector - Google Patents
Mos-diode cell of solid radiation detector Download PDFInfo
- Publication number
- RU2494497C2 RU2494497C2 RU2011130255/28A RU2011130255A RU2494497C2 RU 2494497 C2 RU2494497 C2 RU 2494497C2 RU 2011130255/28 A RU2011130255/28 A RU 2011130255/28A RU 2011130255 A RU2011130255 A RU 2011130255A RU 2494497 C2 RU2494497 C2 RU 2494497C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- bus
- transistor
- mos
- gate
- source
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Light Receiving Elements (AREA)
- Measurement Of Radiation (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам радиационных частиц.The invention relates to semiconductor coordinate detectors of radiation particles.
Известны ячейки (пиксели) для монолитных детекторов излучений на основе p-i-n-диода [1], диодно-емкостная КМОП ячейка [2], DEPMOS-МОП транзистора с управлением по подложке [3, 4], биполярных транзисторных структур [3, 4] либо функционально-интегрированной БИ-МОП структуре [5].Known cells (pixels) for monolithic radiation detectors based on pin diode [1], diode-capacitive CMOS cell [2], DEPMOS-MOS transistor with substrate control [3, 4], bipolar transistor structures [3, 4] or functionally integrated BI-MOS structure [5].
Недостаткиdisadvantages
Диодная ячейка [1] не обеспечивает усиления сигнала в пикселе и, следовательно, быстродействие и чувствительность детектора. Диодно-емкостная КМОП ячейка [2], DERMOS - МОП ячейка имеют низкую крутизну и относительно высокий уровень шумов из-за управления по подложке, что ограничивает их спектральную чувствительность. Биполярные транзисторные структуры имеют пониженное напряжение пробоя из-за плавающего потенциала базы и нелинейность усиления при малом уровне сигнала (плотности тока).The diode cell [1] does not provide signal amplification in a pixel and, therefore, the speed and sensitivity of the detector. Diode-capacitive CMOS cell [2], DERMOS - MOS cell have a low slope and a relatively high noise level due to control over the substrate, which limits their spectral sensitivity. Bipolar transistor structures have a reduced breakdown voltage due to the floating base potential and gain nonlinearity at a low signal level (current density).
Наиболее близкой по технической сущности является интегральная БИ-МОП ячейка детектора излучений [5]. Данная схема и конструкция ячейки (пиксели) выбрана в качестве прототипа.The closest in technical essence is the integrated BI-MOS cell of the radiation detector [5]. This circuit and cell design (pixels) is selected as a prototype.
Электрическая схема ячейки содержит МОП транзистор, шину высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, выходную шину (см. чертеж 1 фиг.1).The electrical circuit of the cell contains a MOS transistor, a bus of high positive (negative) supply voltage, an output bus (see
Конструкция ячейки детектора (см. фиг.2) прототипа (функционально интегрированная БИ-МОП структура) содержит полупроводниковую подложку 1-ого типа проводимости, на нижней поверхности которой расположен электрод подложки, подсоединенный к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, а на верхней поверхности - слой тонкого диэлектрика, на котором расположен электрод-затвор МОП транзистора, в подложке также расположена область 2-ого типа проводимости, в которой расположена область 1-ого типа проводимости, на поверхности которой расположен электрод, соединенный с выходной шиной.The design of the detector cell (see Fig. 2) of the prototype (functionally integrated BI-MOS structure) contains a semiconductor substrate of the first type of conductivity, on the lower surface of which there is a substrate electrode connected to a high positive (negative) supply voltage bus, and on the top surface - a thin dielectric layer on which the gate electrode of the MOS transistor is located, the region of the 2nd type of conductivity is also located in the substrate, in which the region of the 1st type of conductivity is located, on the surface which is the electrode connected to the output bus.
Данная ячейка так же не обладает наилучшим качеством детектирования из за невысокой чувствительности и нелинейности усиления биполярного транзистора, что приводит к искажению спектра при детектировании особенно для «глубоко» проникающих и слабо взаимодействующих радиационных частиц (электронов, гамма и рентгеновских квантов), поскольку:This cell also does not have the best detection quality due to the low sensitivity and non-linearity of the amplification of the bipolar transistor, which leads to a distortion of the spectrum during detection, especially for “deep” penetrating and weakly interacting radiation particles (electrons, gamma and X-ray quanta), because:
- чувствительность структуры ячейки пропорциональна величине (глубине) области пространственного заряда (ОПЗ) (см. чертеж 1 фиг.2) в подложке, которая в свою очередь зависит от величины напряжения питания, определяемого напряжением пробоя эмиттер-коллектора биполярного транзистора. Оно (особенно в режиме с «плавающей» базой) много меньше напряжения пробоя коллекторного p-n перехода (p-i-n-диода) [6, 7];- the sensitivity of the cell structure is proportional to the value (depth) of the space charge region (SCR) (see
- усиление биполярной структурой малых «ионизационных» токов, образуемых слабо взаимодействующими частицами, много меньше максимального и носит нелинейный характер [8].- amplification by the bipolar structure of small "ionization" currents formed by weakly interacting particles is much less than the maximum and is non-linear [8].
Техническим результатом изобретения является повышение качества детектирования, т.е. спектрального разрешения, чувствительности и линейности детектора излучений.The technical result of the invention is to improve the quality of detection, i.e. spectral resolution, sensitivity and linearity of the radiation detector.
Технический результат достигается за счет:The technical result is achieved due to:
- электрической схемы (см. чертеж 2 фиг.3), в которой МОП транзистор является обедненным транзистором n(p) типа проводимости (т.е. имеет встроенный канал), его подзатворная область подсоединена к общей шине питания, сток - к выходной шине, а затвор соединен с анодом (катодом) диода и с первым выводом резистора, катод (анод) диода подсоединен к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, второй вывод резистора подсоединен к шине отрицательного (положительною) напряжения смещения;- an electrical circuit (see drawing 2 of FIG. 3), in which the MOS transistor is a conductivity type n (p) depleted transistor (i.e., has an integrated channel), its gate region is connected to a common power bus, and the drain to the output bus and the gate is connected to the anode (cathode) of the diode and to the first output of the resistor, the cathode (anode) of the diode is connected to the bus of high positive (negative) supply voltage, the second output of the resistor is connected to the bus of negative (positive) bias voltage;
- n-МОП конструкции ячейки (функционально интегрированной структуры) ячейки детектора излучений, содержащей в полупроводниковой подложке области 1-ого типа проводимости две области 2-ого типа проводимости, образующие аноды (катоды) соответственно первого и второго диодов, на поверхности которых расположены соответствующие электроды первого и второго анода (катода), причем электрод анода (катода) первого диода подсоединен к первому электроду поликремниевого резистора, расположенного на толстом диэлектрике, и расположенному на тонком диэлектрике поликремниевому затвору n(p) МОП транзистора со встроенным каналом, второй электрод резистора соединен с шиной отрицательного (положительного) напряжения смещения. При этом область 2-ого типа проводимости анода (катода) второго диода одновременно является подзатворной областью «кармана» n(p) типа проводимости n(p) МОП транзистора со встроенным каналом, в которой расположены области стока и истока 1-ого типа проводимости, на которых соответственно расположены электроды стока и истока, соединенные соответственно с выходной шиной и общей шиной питания.- n-MOS cell design (functionally integrated structure) of the radiation detector cell, containing in the semiconductor substrate regions of the 1st conductivity type two regions of the 2nd conductivity type, forming anodes (cathodes) of the first and second diodes, respectively, on the surface of which there are corresponding electrodes the first and second anode (cathode), and the electrode of the anode (cathode) of the first diode is connected to the first electrode of a polysilicon resistor located on a thick dielectric and located on a thin die ektrike polysilicon gate n (p) MOS transistor with integrated channel, the second electrode of the resistor connected to the bus of the negative (positive) displacement voltage. Moreover, the region of the 2nd type of conductivity of the anode (cathode) of the second diode is simultaneously the gate region of the "pocket" n (p) of the type of conductivity n (p) of the MOS transistor with an integrated channel in which the drain and source regions of the first type of conductivity are located, on which respectively the drain and source electrodes are located, connected respectively to the output bus and the common power bus.
- КМОП конструкция ячейки (функционально-интегрированной структуры, см. фиг.6) дополнительно содержит в подзатворной области «карманы» n(p) типа проводимости, вторую подзатворную область кармана» n(p) типа проводимости n(p) МОП транзистора, в которой расположены области стока и истока 2-го типа проводимости, на которых соответственно расположены электроды стока и истока, соединенные соответственно с выходной шиной и источником дополнительного положительного (отрицательного) напряжения питания.- CMOS cell design (functionally integrated structure, see Fig.6) additionally contains in the gate region of the "pockets" n (p) type of conductivity, the second gate region of the pocket "n (p) type of conductivity n (p) MOS transistor, which are the drain and source regions of the 2nd type of conductivity, on which respectively the drain and source electrodes are connected, respectively connected to the output bus and the source of additional positive (negative) supply voltage.
Следует отменить, что, в частности, случай «встроенный» канал в транзисторе может отсутствовать, однако при этом резко снижается чувствительность ячейки детектора.It should be canceled that, in particular, the case of an “embedded” channel in the transistor may be absent, however, the sensitivity of the detector cell is sharply reduced.
Следует отметить, что наличие в ячейке (пикселе) функционально-интегрированной диодной МОП структуры позволяет выполнить ее весьма компактной, а использование p-i-n-диода (см. фиг.4) увеличить ОПЗ в 4-5 раз и практически устранить нелинейность усиления малых токов.It should be noted that the presence in the cell (pixel) of a functionally integrated diode MOS structure allows it to be very compact, and the use of a p-i-n diode (see Fig. 4) increases the SCR by 4-5 times and practically eliminates the non-linearity of low current amplification.
С целью одновременного измерения 2-х координатIn order to simultaneously measure 2 coordinates
- электрическая схема (см. фиг.7) дополнительно содержит второй МОП транзистор n(p) типа проводимости со встроенным каналом, причем его затвор, исток и подзатворная область соединены с соответствующими областями первого МОП транзистора, а сток - со второй выходной шиной.- the electric circuit (see Fig. 7) further comprises a second n (p) MOS transistor with a built-in channel, its gate, source and gate region being connected to the corresponding regions of the first MOS transistor, and the drain to the second output bus.
С целью повышения быстродействияIn order to improve performance
- электрическая схема (см. фиг.8) содержит дополнительно третий и четвертый усилительные МОП транзисторы и второй резистор, причем область затвора третьего транзистора подключена к области истока первого транзистора, область истока к общей шине, а область стока к первой выходной шине, а область затвора четвертого транзистора подключена к области истока второго транзистора, область истока к общей шине, а область стока ко второй выходной шине, области затворов третьего и четвертого МОП транзисторов подключены к общей шине через второй резистор.- the electric circuit (see Fig. 8) additionally contains the third and fourth amplifying MOS transistors and a second resistor, the gate region of the third transistor connected to the source region of the first transistor, the source region to the common bus, and the drain region to the first output bus, and the region the gate of the fourth transistor is connected to the source region of the second transistor, the source region to the common bus, and the drain region to the second output bus, the gate region of the third and fourth MOS transistors are connected to the common bus through the second res torus.
С целью расширения области примененияIn order to expand the scope
- электрическая схема (см. рис.9) содержит дополнительно - адресную и разрядную шины, второй - усиливающий МОП транзистор, третий - адресный (селекции) МОП транзистор и четвертый - МОП транзистор - установки нуля, при этом исток первого -обедненного МОП транзистора подключен к затвору второго - усиливающего транзистора и стоку четвертою - МОП транзистора - установки нуля, исток которого соединен с общей шиной, а затвор - с шиной сброса, при этом исток усиливающего транзистора подключен к общей шине, а его сток - к истоку третьего транзистора селекции, сток которого подключен к разрядной шине, а затвор - к адресной шине.- the electric circuit (see Fig. 9) additionally contains the address and discharge buses, the second - the amplifying MOS transistor, the third - the address (selection) MOS transistor and the fourth - MOS transistor - zero, while the source of the first-depleted MOS transistor is connected to the gate of the second - the amplifying transistor and the drain of the fourth - the MOS transistor - zero, the source of which is connected to the common bus, and the gate - to the reset bus, while the source of the amplifying transistor is connected to the common bus, and its drain - to the source of the third transistor and, the drain of which is connected to the bit line and the gate - to the address bus.
Изобретение поясняется приведенными чертежами:The invention is illustrated by the drawings:
Электрическая схема для прототипаThe electrical circuit for the prototype
На фиг.1 приведена электрическая схема прототипа интегральной БИ-МОП ячейки детектора излучений прототипа, содержащая МОП - Т1 и биполярный - Т2 транзисторы.Figure 1 shows the electrical circuit of the prototype of the integrated BI-MOS cell radiation detector of the prototype, containing MOS - T1 and bipolar - T2 transistors.
Интегральная схема для прототипаIntegrated Circuit for Prototype
На фиг.2 представлены разрез структуры ячейки прототипа и ее топологический чертеж (вид сверху). Структура содержит полупроводниковую подложку 1 первого (n) типа проводимости, которая образует область коллектора БИ-МОП структуры. Нижняя часть подложки 1 сильно легирована и образует слой 2 для создания омического контакта к коллекторному электроду 3. В области коллектора-подложки 1 расположена область базы 4 второго (p) типа проводимости. В области базы 4 расположена область эмиттера 5 первого (n) типа проводимости, на которой расположен электрод эмиттера 6. На поверхности области коллектора-подложки 1 расположен диэлектрический слой 7, на поверхности диэлектрического слоя 7 расположен электропроводящий электрод - затвора 8.Figure 2 presents a section of the cell structure of the prototype and its topological drawing (top view). The structure contains a
Электрические схемы для изобретенияElectrical circuits for the invention
На фиг.4, 6-10 приведены варианты электрических схем изобретения - МОП диодной ячейки детектора излучений.Figure 4, 6-10 shows options for electrical circuits of the invention - MOS diode cells of the radiation detector.
Электрическая схема фиг.3 содержит:The electrical circuit of figure 3 contains:
- первый МОП транзистор - Т1 является обедненным транзистором n (р) типа проводимости (т.е. имеет встроенный канал), его исток и подзатворная область подсоединены к общей шине питания, сток к выходной шине - Х, а затвор соединен с анодом (катодом) диода и с первым выводом резистора - R1, катод (анод) диода подсоединен к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания +Vdd. второй вывод резистора подсоединен к шине отрицательного (положительного) напряжения смещения - Vcc.- the first MOS transistor - T1 is a conductivity type n (p) depleted transistor (i.e., has an integrated channel), its source and gate region are connected to a common power bus, the drain to the output bus is X, and the gate is connected to the anode (cathode) ) of the diode and with the first output of the resistor - R1, the cathode (anode) of the diode is connected to the bus of a high positive (negative) supply voltage + Vdd. the second output of the resistor is connected to the bus negative (positive) bias voltage - Vcc.
Электрическая схема на фиг.4 содержит:The electrical circuit in figure 4 contains:
- дополнительный p(n) МОП транзисторы, затвор которого соединен с затвором p(n) МОП транзистора, сток со стоком обоих транзисторов подсоединен к выходной шине, исток p(n) МОП транзистора подключен к шине положительного (отрицательного) питания.- additional p (n) MOS transistors, the gate of which is connected to the gate p (n) of the MOS transistor, the drain with the drain of both transistors is connected to the output bus, the source p (n) of the MOS transistor is connected to the positive (negative) power bus.
Электрическая схема на фиг.7 содержит:The electrical circuit in Fig.7 contains:
- второй МОП транзистор Т2 с n(p) типа проводимости со встроенным каналом, причем его затвор, исток и подзатворная область соединены с соответствующими областями первого МОП транзистора - Т1, а сток со второй выходной шиной - Y.- the second MOS transistor T2 with n (p) type of conductivity with an integrated channel, and its gate, source and gate region are connected to the corresponding areas of the first MOS transistor - T1, and the drain with the second output bus is Y.
Электрическая схема на фиг.8 содержит:The electrical circuit in Fig. 8 contains:
третий - T3 и четвертый - T4 усилительные МОП транзисторы, второй резистор - R2, причем область затвора третьего транзистора - T3 подключена к области истока первого транзистора - Т1, область истока к общей шине, а область стока к первой выходной шине - X, а область затвора четвертого транзистора - Т4 подключена к области истока второго транзистора - T2, область истока к общей шине, а область стока ко второй выходной шине - Y, первый вывод второго резистора R2 подключен к затворам третьего и четвертого усилительного транзистора - T3, Т4, а второй вывод к общей шине.the third is T3 and the fourth is T4 amplifying MOS transistors, the second resistor is R2, and the gate region of the third transistor - T3 is connected to the source region of the first transistor - T1, the source region to the common bus, and the drain region to the first output bus - X, and the region the gate of the fourth transistor - T4 is connected to the source region of the second transistor - T2, the source region is to the common bus, and the drain region to the second output bus is Y, the first output of the second resistor R2 is connected to the gates of the third and fourth amplifying transistor - T3, T4, and the second conclusion to the general bus.
Электрическая схема на фиг.9 содержит:The electrical circuit in figure 9 contains:
- дополнительно шину сброса - R (обнуления), адресную - S, разрядную - Q шины, второй - усиливающий МОП транзистор - Т2, третий - адресный \селекции\ МОП транзистор - Т3 и четвертый - МОП транзистор - Т4 - установки нуля, при этом исток первого - обедненного МОП транзистора - Т1 подключен к затвору второго - усиливающего Т2 транзистора и стоку четвертого - МОП транзистора - Т4 - установки нуля, исток которого соединен с общей шиной, а затвор с шиной сброса - R, при этом исток усиливающею транзистора - Т2 подключен к общей шине, а его сток к истоку третьего транзистора Т3 селекции, сток которого подключен к разрядной шине - Q, a затвор к адресной шине - S.- additional reset bus - R (zeroing), address - S, bit - Q bus, the second - amplifying MOS transistor - T2, the third - address \ selection \ MOS transistor - T3 and the fourth - MOS transistor - T4 - zero, while the source of the first - depleted MOS transistor - T1 is connected to the gate of the second - amplifying T2 transistor and the drain of the fourth - MOS transistor - T4 - zero, the source of which is connected to the common bus, and the gate with the reset bus is R, while the source of the amplifying transistor is T2 connected to a common bus, and its drain to the source of the third trans ora selection T3, a drain of which is connected to the bit line - Q, a gate to the address bus - S.
Электрическая схема на фиг.10, аналогична фиг.3, 4 при этом дополнительно содержит счетчик импульсов радиационных частицThe electric circuit in figure 10, similar to figure 3, 4 further comprises a pulse counter of radiation particles
Интегральная схема изобретения показана на фиг.5.The integrated circuit of the invention is shown in figure 5.
Функционально-интегрированная структура интегральной схемы n-МОП ячейки содержит полупроводниковую подложку 1-ого типа проводимости - 1, на нижней поверхности расположен сильно легированный слой 1-ого типа проводимости - 2, на котором расположен электрод подложки - 3, подсоединенный к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания +Vdd, а на верхней поверхности подложки - слой тонкого диэлектрика - 7, на котором расположен электрод-затвора МОП транзистора - 8, в подложке также расположена область 2-ого типа проводимости - 4, являющаяся подзатворной областью MOП транзистора, в которой расположена область 1-ого типа проводимости - 5, являющаяся областью стока МОП транзистора, на поверхности которой расположен электрод - 6, соединенный с выходной шиной X и область 1-ого типа проводимости - 9, являющаяся областью истока МОП транзистора, причем на ее поверхности и поверхности области 2-ого типа проводимости - 4 расположен электрод - 10, соединенный с общей шиной. На поверхности подложки - 1 расположен толстый диэлектрик - 11, на ее поверхности расположен поликремниевый резистор - 12, на поверхности которого расположено два его электрода, при этом первый - 13 соединен с электродом затвора - 8, второй - 14 соединен с источником отрицательного \положительного\ напряжения питания - Vcc, в положке - 1 расположена вторая область 2-ого типа проводимости, образующая анод (катод) p-i-n-диода 15, на ее поверхности расположен электрод - 16, соединенный с электродом затвора - 8 и первым электродом - 13 резистораThe functionally integrated structure of the integrated circuit of the n-MOS cell contains a semiconductor substrate of the first type of conductivity - 1, on the lower surface there is a heavily doped layer of the first type of conductivity - 2, on which the electrode of the substrate - 3, connected to the high positive bus ( negative) of the supply voltage + Vdd, and on the upper surface of the substrate is a thin dielectric layer - 7, on which the gate electrode of the MOS transistor - 8 is located, the region of the 2nd type of conductivity - 4 is also located in the substrate, which is located under the gate region of the MOS transistor, in which the region of the 1st type of conductivity is located, 5, which is the drain region of the MOS transistor, on the surface of which the electrode is located, 6 connected to the output bus X, and the region of the 1st type of conductivity, 9, is the source region The MOS transistor, and on its surface and the surface of the region of the 2nd type of conductivity - 4 is an electrode - 10, connected to a common bus. On the surface of the substrate - 1 is a thick dielectric - 11, on its surface there is a polysilicon resistor - 12, on the surface of which there are two electrodes, the first - 13 is connected to the gate electrode - 8, the second - 14 is connected to a negative \ positive source the supply voltage is Vcc, in pos. 1 there is a second region of the 2nd type of conductivity, which forms the anode (cathode) of
- функционально-интегрированная структура интегральной схемы КМОП ячейки, содержащей дополнительную подзатворную область «карман» n(p) типа проводимости - 17, в которой расположены области стока - 18 и истока - 19 n(p) - МОП транзисторы, на которых расположены соответственно электроды 20, 21. На поверхности «кармана» 17 расположен подзатворный диэлектрик - 22 и поликремниевый затвор - 23, на поверхности которого расположен электрод затвор - 24, на поверхности кармана расположен электрод кармана - 25, подсоединенный к истоку положительного питания +Vcc.- a functionally integrated structure of an integrated circuit of a CMOS cell containing an additional gate region of "pocket" n (p) of conductivity type - 17, in which drain regions - 18 and source - 19 n (p) are located - MOS transistors on which electrodes are respectively located 20, 21. On the surface of the "pocket" 17 there is a gate dielectric - 22 and a polysilicon gate - 23, on the surface of which there is a gate electrode - 24, on the surface of the pocket there is a pocket electrode - 25 connected to the source of positive power + Vcc.
МОП диодная ячейка детектора излучений работает следующим образом (схема на фиг.3, конструкция на фиг.5).MOS diode cell of the radiation detector works as follows (diagram in Fig. 3, design in Fig. 5).
При прохождении через подложку 1 радиационной частицы (фиг.2), например, релятивистского электрона, вдоль ее трека образуются электронно-дырочные пары в области пространственного заряда (ОПЗ) p-i-n перехода, образованного подложкой - 1 n-типа и анодом - 4 диода р+-типа проводимости, и частично в квазинейтральной области. Образованные радиационной частицей в КНО электронно-дырочные пары разделяются полем положительного напряжения +Vdd и образуют ионизационный ток p-i-n-диода - D, который, протекая через резистор - R к источнику питания отрицательного напряжения - Vc, создает на нем падение напряжение положительного знака, которое открывает обедненный n-МОП транзистор «со встроенным каналом». Протекающий через МОП транзистор ток создаст выходной шине X сигнал о времени ее прихода, энергии (спектре) и координате.When passing through the
Следует отметить важное обстоятельство. Ионизационный ток протекает только через резистор и анод первого диода, поскольку он имеет более низкий потенциал - Vc, чем анод второго диода, являющийся подзатворной областью МОП транзистора. При этом он должен иметь встроенный канал, иначе он не откроется небольшим по величине (0.01-1 мВ) напряжением, создаваемый ионизационным током слабовзаимодействующих частиц [7].An important circumstance should be noted. The ionization current flows only through the resistor and anode of the first diode, since it has a lower potential - Vc than the anode of the second diode, which is the gate region of the MOS transistor. Moreover, it must have an integrated channel, otherwise it will not open with a small voltage (0.01-1 mV), created by the ionization current of weakly interacting particles [7].
При регистрации «тяжелых» частиц, например, атомных ядер может быть использован обычный «обогащенный» МОП транзистор (без встроенного канала).When registering "heavy" particles, for example, atomic nuclei, a conventional "enriched" MOS transistor (without an integrated channel) can be used.
Схема на фиг.4 работает аналогичным образом, только 2 транзистора другого типа проводимости позволяют снизить энергопотребления детектора.The circuit in figure 4 works in a similar way, only 2 transistors of a different type of conductivity can reduce the energy consumption of the detector.
Схема на фиг.7 работает аналогичным образом, однако наличие сигнала со второго транзистора - Т2 позволяет определять вторую координату попадания частицы в детектор.The circuit in Fig. 7 works in a similar way, however, the presence of a signal from the second transistor - T2 allows you to determine the second coordinate of the particle’s entry into the detector.
Схема на фиг.8 работает аналогичным образом, однако наличие усиливающих транзисторов Т3 и Т4 позволяет усилить сигналы с транзисторов Т1 и Т2, тем самым ускорить время перезарядки выходных шин X и Y и соответственно быстродействие матрицы пиксельного детектора.The circuit in Fig. 8 works in a similar way, but the presence of amplifying transistors T3 and T4 allows amplifying the signals from transistors T1 and T2, thereby accelerating the recharging time of the output buses X and Y and, accordingly, the speed of the pixel detector matrix.
Схема на фиг.9 работает аналогичным образом схеме на фиг.7, т.е. по сигналу на выходной шине - X позволяет определять время прихода частицы, ее энергии и координату (или 2-е координаты см. фиг.7). При этом сигнал, попадая на затвор усиливающего транзистора Т2, на некоторое время (равное времени релаксации заряда) запоминается в емкости С, образованной емкостью затвор - положка транзистора Т3. Текущее состояние транзистора Т3 (величина его сопротивления) считывается по разрядной - шине Q транзистором Т3 при его открывании подачей сигнала по адресной шине S. Транзистор Т4 служит для установки ячейки в исходное состояние - обнуление путем подачи на шину R сигнала сброса.The circuit in Fig. 9 works in a similar way to the circuit in Fig. 7, i.e. the signal on the output bus - X allows you to determine the time of arrival of the particle, its energy and coordinate (or 2nd coordinates, see Fig.7). In this case, the signal, falling on the gate of the amplifying transistor T2, is stored for some time (equal to the relaxation time of the charge) in the capacitance C formed by the gate capacitance - the position of the transistor T3. The current state of the transistor T3 (the value of its resistance) is read out on the bit - bus Q by the transistor T3 when it is opened by applying a signal on the address bus S. The transistor T4 serves to set the cell to its original state - zeroing by sending a reset signal to the bus R.
Наличие дополнительных трех транзисторов позволяет осуществить еще и функцию «запоминания» сигнала от одной или нескольких частиц, который через некоторое время может быть считан. Данное обстоятельство важно при регистрации потоков излучений с высокой интенсивностью (Р>100М рентген/с), когда выборка информации по одному кванту в «реальном» масштабе времени весьма проблематична (т.е. превышает 1Г бит на кристалл).The presence of an additional three transistors also allows the function of "storing" the signal from one or more particles, which can be read out after some time. This circumstance is important when registering high-intensity radiation fluxes (P> 100M X-ray / s), when sampling information on a single quantum in the "real" time scale is very problematic (i.e., exceeds 1G bits per crystal).
Следует отметить, что на исток транзистора Т2 может быть подключен к другой шине, например, к шине питания.It should be noted that the source of the transistor T2 can be connected to another bus, for example, to the power bus.
Схема на фиг.10 работает аналогичным образом, как схемы фиг.3, 4, при этом подключение счетчика позволяет определить количество квантов-частиц, поступивших в пикселю детектора.The circuit in Fig. 10 works in a similar way as the circuits of Figs. 3, 4, while connecting the counter allows you to determine the number of quantum particles entering the detector pixel.
Пример конкретной реализации.An example of a specific implementation.
Двумерная матрица пиксель-ячеек детектора может быть выполнена по стандартной n-MOП (или КМОП) технологии, используемой при изготовлении интегральных схем, например, по следующему технологическому маршруту:The two-dimensional matrix of detector pixel cells can be performed according to the standard n-MOS (or CMOS) technology used in the manufacture of integrated circuits, for example, along the following technological route:
а) формирование n+- контактной области - 2 к пластине кремния - 1 сопротивлением рv~5 кОм/см с ориентацией 100, например, диффузией фосфора в обратную сторону пластины;a) the formation of an n + - contact region - 2 to the silicon wafer - 1 with a resistance of p v ~ 5 kΩ / cm with an orientation of 100, for example, diffusion of phosphorus in the opposite direction of the plate;
б) окисление поверхности кремния и формирование в толстом оксиде - 11 окон для р+-областей - 4, 15 с помощью процесса 1-ой фотолитографии и формирование путем имплантации атомов бора и последующем режиме отжига и разгонки примеси в глубину подложки;b) oxidation of the silicon surface and the formation in thick oxide — 11 windows for p + regions — 4, 15 using the first photolithography process and the formation of boron atoms by implantation and the subsequent mode of annealing and distillation of the impurity into the depth of the substrate;
в) окисление поверхности кремния, формирование тонкого подзатворного оксида - 7 и осаждение поликристаллического слоя кремния на поверхность пластины и проведение операции 2-ой фотолитографии - обтрава поликремния - 12;c) oxidation of the silicon surface, the formation of a thin gate oxide — 7 and deposition of a polycrystalline silicon layer on the wafer surface and the operation of the second photolithography — polysilicon cladding — 12;
г) проведение 3-ех фотолитографий и последующая имплантация в поликремний мышьяка, т.е. формировании области затвора - 8 и областей стока, истока n-типа МОП транзистора с последующим термическим отжигом;d) carrying out 3 photolithographs and subsequent implantation of arsenic in polysilicon, i.e. the formation of the gate region - 8 and the drain regions, the source of the n-type MOS transistor, followed by thermal annealing;
д) в формировании резистора путем имплантации фосфора в поликремний и последующим отжигом;d) in the formation of a resistor by implanting phosphorus in polysilicon and subsequent annealing;
е) в осаждении низкотемпературного диэлектрика и формировании в нем 4-ой фотолитографией контактных окон;f) in the deposition of a low-temperature dielectric and the formation in it of the 4th photolithography of contact windows;
ж) осаждение алюминия и проведение 5-ой фотолитографии разводки (обтрава) алюминия.g) the deposition of aluminum and the 5th photolithography of wiring (clipping) of aluminum.
Изготовленные по данной технологии тестовые биполярные транзисторы имели пробивное напряжение - Vкэ не более 50 B, а p-i-n-диоды Vпр свыше 300 B, обедненные МОП транзисторы имели пороговое напряжение VТ=-1.0 B, а обычные - обогащенные Vt=+1.0 B [8].Test bipolar transistors made using this technology had a breakdown voltage of V ke not more than 50 V, pin V diodes above 300 V, depleted MOS transistors had a threshold voltage of V T = -1.0 V, and ordinary transistors enriched Vt = + 1.0 V [8 ].
ЛитератураLiterature
1. D.Patti etal United Slates Patent №US6.465.857.B1 Date Oct. 15.2002. US 006465857B1.1. D. Patti etal United Slates Patent No. US6.465.857.B1 Date Oct. 15.2002. US 006465857B1.
2. I.Peric; "A novel monolithic pixelated particle detector implemented in high-voltage CMOS technology." Nucl. Inst. Meth. Band A 582. pp.876-885. August 2007.2. I.Peric; "A novel monolithic pixelated particle detector implemented in high-voltage CMOS technology." Nucl. Inst. Meth. Band A 582. pp. 876-885. August 2007
3. J.Kemmer, G.Lutz: Nucl. Instrum. Methods A 273. 588-598 (1988).3. J. Kemmer, G. Lutz: Nucl. Instrum. Methods A 273. 588-598 (1988).
4. Мурашев B.H. и др. «Координационный детектор релятивистских частиц" патент на изобретение №2197036 от 20.01, 2003 приоритет от 19.02.2000 г.4. Murashev B.H. and others. "Coordination detector of relativistic particles" invention patent No. 2197036 from 01.20, 2003 priority from 02.19.2000.
5. Интегральная БИ-МОП ячейка детектора излучений. Патент РФ №2383968 от 20.03.2006 г.5. Integrated BI-MOS cell radiation detector. RF patent No. 2383968 dated March 20, 2006
6. С.З и. Физика полупроводниковых приборов. Москва из-во Мир. 1984 г. 1.1.6.S. and. Physics of semiconductor devices. Moscow because of the World. 1984 1.1.
7. D.L. Volkov, D.Е. Karmanov. V.N. Murashev. S.A. Legotin, R.A. Mukhamedshin. and A.P. Chubcnko. A New Position-Sensitive Silicon Pixel Detector Based on Bipolar Transistors // INSTRUMENTS AND EXPERIMENTAL TECHNIQUES. 2009. No. 52, pp.655-664.7. D.L. Volkov, D.E. Karmanov. V.N. Murashev. S.A. Legotin, R.A. Mukhamedshin. and A.P. Chubcnko. A New Position-Sensitive Silicon Pixel Detector Based on Bipolar Transistors // INSTRUMENTS AND EXPERIMENTAL TECHNIQUES. 2009.No. 52, pp. 655-664.
8. V.N. Murashev, S.A. Legotin. О.M. Orlov. A.S. KoroEchenko. and P.A. Ivshin, A silicon position-sensitive detector of charged particles and radiations on the basis of functionally integrated structures with nano-micron active regions // INSTRUMENTS AND EXPERIMENTAL TECHNIQUES. 2010, No. 53. 657-662.8. V.N. Murashev, S.A. Legotin. O.M. Orlov. A.S. KoroEchenko. and P.A. Ivshin, A silicon position-sensitive detector of charged particles and radiations on the basis of functionally integrated structures with nano-micron active regions // INSTRUMENTS AND EXPERIMENTAL TECHNIQUES. 2010, No. 53.657-662.
Claims (8)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011130255/28A RU2494497C2 (en) | 2011-07-21 | 2011-07-21 | Mos-diode cell of solid radiation detector |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011130255/28A RU2494497C2 (en) | 2011-07-21 | 2011-07-21 | Mos-diode cell of solid radiation detector |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2011130255A RU2011130255A (en) | 2013-01-27 |
RU2494497C2 true RU2494497C2 (en) | 2013-09-27 |
Family
ID=48805316
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011130255/28A RU2494497C2 (en) | 2011-07-21 | 2011-07-21 | Mos-diode cell of solid radiation detector |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2494497C2 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2583857C1 (en) * | 2014-11-10 | 2016-05-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Bipolar cell coordinate sensor - radiation detector |
RU2583955C1 (en) * | 2014-11-10 | 2016-05-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Capacitive mos diode cell of photodetector-radiation detector |
RU178710U1 (en) * | 2017-12-27 | 2018-04-17 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Internal amplification semiconductor detector |
RU188417U1 (en) * | 2018-12-21 | 2019-04-11 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Detector with amplification based on heterobipolar transistor |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2539109C1 (en) * | 2013-09-26 | 2015-01-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Multijunction silicone monocrystalline converter of optic and radiation emissions |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0850059A (en) * | 1994-08-04 | 1996-02-20 | Nikon Corp | Infrared-ray detector |
JPH11214667A (en) * | 1998-01-16 | 1999-08-06 | Shijie Xianjin Integrated Circuit Co Ltd | Active type picture element detector |
US6465857B1 (en) * | 1999-06-15 | 2002-10-15 | Stmicroelectronics S.R.L. | Semiconductor particle detector and a method for its manufacture |
RU2197036C2 (en) * | 2000-09-13 | 2003-01-20 | Такеши САИТО | Coordinate detector of relativistic particles |
RU2002120575A (en) * | 2002-08-02 | 2004-03-20 | Саито ТАКЕШИ (JP) | COORDINATE RADIATION DETECTOR |
US20050263708A1 (en) * | 2004-05-28 | 2005-12-01 | Gibson Gary A | Low-energy charged particle detetor |
RU2383968C2 (en) * | 2006-03-20 | 2010-03-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ПИКСЕЛЬ" | Integrated bi-mos radiation detector cell |
-
2011
- 2011-07-21 RU RU2011130255/28A patent/RU2494497C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0850059A (en) * | 1994-08-04 | 1996-02-20 | Nikon Corp | Infrared-ray detector |
JPH11214667A (en) * | 1998-01-16 | 1999-08-06 | Shijie Xianjin Integrated Circuit Co Ltd | Active type picture element detector |
US6465857B1 (en) * | 1999-06-15 | 2002-10-15 | Stmicroelectronics S.R.L. | Semiconductor particle detector and a method for its manufacture |
RU2197036C2 (en) * | 2000-09-13 | 2003-01-20 | Такеши САИТО | Coordinate detector of relativistic particles |
RU2002120575A (en) * | 2002-08-02 | 2004-03-20 | Саито ТАКЕШИ (JP) | COORDINATE RADIATION DETECTOR |
US20050263708A1 (en) * | 2004-05-28 | 2005-12-01 | Gibson Gary A | Low-energy charged particle detetor |
RU2383968C2 (en) * | 2006-03-20 | 2010-03-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ПИКСЕЛЬ" | Integrated bi-mos radiation detector cell |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2583857C1 (en) * | 2014-11-10 | 2016-05-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Bipolar cell coordinate sensor - radiation detector |
RU2583955C1 (en) * | 2014-11-10 | 2016-05-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Capacitive mos diode cell of photodetector-radiation detector |
RU178710U1 (en) * | 2017-12-27 | 2018-04-17 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Internal amplification semiconductor detector |
RU188417U1 (en) * | 2018-12-21 | 2019-04-11 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Detector with amplification based on heterobipolar transistor |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2011130255A (en) | 2013-01-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5081621B2 (en) | Semiconductor radiation detector using a modified internal gate structure. | |
US7183555B2 (en) | Charge or particle sensing | |
US4885620A (en) | Semiconductor element | |
RU2494497C2 (en) | Mos-diode cell of solid radiation detector | |
CN101356654B (en) | Semiconductor radiation detector optimized for detecting visible light | |
CN107063453B (en) | A kind of single-photon avalanche photodiode quenching circuit that load is variable | |
US20100140489A1 (en) | Radiation detector of the delta e-e type with insulation trenches | |
Avila-Avendano et al. | Integrated thin-film radiation detectors and in-pixel amplification | |
US20090206436A1 (en) | Semiconductor apparatus | |
Lutz | Silicon radiation detectors | |
Yang et al. | Tunable negative differential resistance in MISIM tunnel diodes structure with concentric circular electrodes controlled by designed substrate bias | |
JP2013145180A (en) | Radiation detector, radiation detection assembly and operation method thereof | |
RU2383968C2 (en) | Integrated bi-mos radiation detector cell | |
US8148760B2 (en) | Visible light detecting semiconductor radiation detector | |
EP1969632A1 (en) | Visible light detecting semiconductor radiation detector | |
Murashev et al. | Monolithic ionizing particle detector based on active matrix of functionally integrated structures | |
Hu et al. | Advanced back-illuminated silicon photomultipliers with surrounding P+ trench | |
RU2583857C1 (en) | Bipolar cell coordinate sensor - radiation detector | |
RU2583955C1 (en) | Capacitive mos diode cell of photodetector-radiation detector | |
Matsuura et al. | Possibilities for thick, simple-structure silicon X-ray detectors operated by Peltier cooling | |
RU2532241C1 (en) | Monolithic rapid coordinate detector of ionising particles | |
Murashev et al. | A silicon position-sensitive detector of charged particles and radiations on the basis of functionally integrated structures with nano-micron active regions | |
JP5364668B2 (en) | Infrared imaging device | |
RU2427942C1 (en) | Integral cell for radiation detector based on bipolar transistor with cellular base | |
RU2197036C2 (en) | Coordinate detector of relativistic particles |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140722 |