TWI475679B - 半導體光電倍增元件 - Google Patents

Description

半導體光電倍增元件

本發明是有關於一種半導體光電倍增元件。

半導體光電倍增元件(SiPM：Silicon Photomultiplier (矽光電倍增器))為與光電倍增管(photomultiplier tube，PMT)或微通道板(Microchannel plate，MCP)電性地進行類似動作的光電轉換元件。

SiPM如圖16般包括微單元(micro cell)的二維集合體，該微單元包含光電二極體(photodiode，PD)。

微單元包括：被施加了擊穿電壓(breakdown voltage)以上的偏壓電壓(bias voltage)的PD，以及用以使PD從蓋革(Geiger)放電現象恢復的淬滅電阻(quenching resistor)。

圖17表示現有的SiPM的構成。如圖17所示，使PD極性相同地相互並聯連接。若光入射至SiPM，則光子入射至微單元內的幾個PD中，且於PD中朝與極性相反的方向流動電流。於是，通過了PD的電流全部朝向輸出端子Iout。輸出端子Iout輸出與光子所入射的PD的個數相應的強度的電流(例如參照專利文獻1)。

先前技術文獻 專利文獻

專利文獻1：日本專利特表2010-536186號公報

然而，根據現有構成，存在如下的問題。

亦即，根據現有構成，存在如下的問題：於具有多個微單元的大面積的SiPM中無法如理想般輸出資料。

各微單元的PD具有某程度的電容。亦即，在各個光電二極體中存在寄生電容Cp。各個光電二極體可如圖18般表現為二極體與電容器並聯連接。

在此種現有構成的電路中，無法如理想般進行動作。對該理由進行說明。目前，設為圖19所示的左端的光電二極體檢測到光子。此時電流通過光電二極體。此時所產生的電流為檢測信號，若如理想那樣，則所述電流應如圖中的粗線箭頭所示直接朝向輸出端子Iout。

然而，實際並非如此。電流在朝向輸出端子Iout的同時也朝向其他光電二極體的陽極流動。於是，電流會被充電至其他光電二極體所具有的寄生電容Cp中。另外，該電流由圖19中虛線的箭頭來表示。

圖20表示從圖19的狀態起經過了一段時間後的情形。圖19中，充電至光電二極體的各個寄生電容Cp的電流被緩慢地放電而從輸出端子Iout輸出。該電流由圖20中虛線的箭頭來表示。亦即，輸出端子Iout中長時間地持續流動著弱電流。

圖21表示輸出端子Iout的輸出的理想狀態與實際狀態。若SiPM對光進行檢測，則理想的是，如圖21的粗線所示般從輸出端子Iout輸出的電流快速上升，並立即衰減。然而，實際上，因寄生電容Cp的影響，而如虛線所示般，電流緩慢上升，且電流經過長時間而未能返回到光 的入射前的狀態。如此，根據現有構成，若SiPM對光進行檢測，則波形變鈍而長時間持續地輸出信號。因此，根據現有構成，SiPM難以正確地獲知檢測到光的時刻。

本發明鑒於上述情況而完成，其目的在於提供一種時間解析度(temporal resolution)得以提高的SiPM。

本發明為了解決上述課題而成為如下般的構成。

亦即，本發明的SiPM是一種半導體光電倍增元件，對光進行檢測的光電二極體經由電阻而並聯連接，該半導體光電倍增元件的特徵在於包括：供給端子，對各個光電二極體供給偏壓電壓；二極體連接電阻，與光電二極體串聯連接；以及二值化(binarization)電路，輸入端子連接於位於光電二極體與二極體連接電阻之間的中間節點；二值化電路的輸出端子經由將電壓變化轉換為電流信號的轉換電阻，而連接於半導體光電倍增元件的輸出端子。

[作用．效果]根據本發明的構成，包括連接於光電二極體的二值化電路。根據此種構成，從光電二極體輸出的電壓變化藉由二值化電路而數位化並被輸出。某光電二極體檢測到光子時所產生的電流經由連接於陽極的電阻而流入至偏壓電壓供給端子，並且所述電流的一部分經由並聯連接的電阻而流入至其他的光電二極體中。此時的電流被充電至相鄰的光電二極體的寄生電容中，且欲在不久後流入至半導體光電倍增元件的輸出端子。然而，從該寄生電容釋放的電流會被二值化電路阻擋而無法流向輸出端子側。 並且，該電流為檢測到光子時所產生的電流的一部分，且為微弱的電流。因此，就藉由從寄生電容釋放的電流而輸入至二值化電路的電壓變化而言，並未強至能夠使二值化電路導通斷開(on-off)。因此，根據本發明的構成，可不受到從寄生電容釋放的電流的影響地來對光進行檢測。因此，根據本發明，可提供具有高檢測精度以及良好的時間解析度的半導體光電倍增元件。

而且，上述半導體光電倍增元件中，若二極體連接電阻、二值化電路、以及轉換電阻設置在各個光電二極體中則更理想。

而且，上述半導體光電倍增元件中，若在不經由電阻而使極性與光電二極體的兩極一致的狀態下，輔助光電二極體與光電二極體並聯設置則更理想。

同樣地，上述半導體光電倍增元件中，亦可在使極性與光電二極體一致的狀態下，輔助光電二極體經由電阻而與光電二極體並聯設置。

[作用．效果]上述構成表示本發明的更具體的構成。本發明可根據半導體光電倍增元件的配線的制約或用途而取得各種形態。

[作用．效果]上述構成表示本發明的更具體的構成。若在不經由電阻而使極性與光電二極體的二值化電路的連接節點一致的狀態下，輔助光電二極體與光電二極體並聯設置，則電路的構成可提供簡單的半導體光電倍增元件。

而且，上述半導體光電倍增元件中，若為如下則更理 想，即，二極體連接電阻中，連接於光電二極體的陽極側的陽極側電阻與連接於陰極側的陰極側電阻這兩個電阻設置在一個光電二極體中，並且供給端子連接於陽極側電阻、以及陰極側電阻中之未連接著光電二極體的各個二極體非連接節點；二值化電路中，陽極側二值化電路與陰極側二值化電路這兩個二值化電路設置在一個光電二極體中，其中所述陽極側二值化電路的輸入端子連接於光電二極體與陽極側電阻之間的中間節點，所述陰極側二值化電路的輸入端子連接於光電二極體與陰極側電阻之間的中間節點；陽極側二值化電路經由轉換電阻而連接於半導體光電倍增元件所具有的第一輸出端子；陰極側二值化電路經由轉換電阻而連接於半導體光電倍增元件所具有的第二輸出端子。

[作用．效果]上述構成表示本發明的更具體的構成。若如上述般針對每個光電二極體而具有兩種二值化電路，則可將各個二值化電路用於不同的用途中。例如，二值化電路中的一個設為螢光強度辨別用，另一個設為檢測時刻辨別用，從而可提供提高了便利性的半導體光電倍增元件。或者，藉由將兩方的二值化電路的輸出用作差動信號，而可提供具有高雜訊耐性(high noise immunity)的半導體光電倍增元件。

而且，上述半導體光電倍增元件中，若二值化電路包含反相器(inverter)電路則更理想。

[作用．效果]上述構成表示本發明的更具體的構成。若 將二值化電路設為反相器電路，則可提供受光區域比率更高、消耗電力更低的半導體光電倍增元件。

而且，上述半導體光電倍增元件中，若在二值化電路與轉換電阻之間設置著脈衝(pulse)寬度調整電路，則更理想，所述脈衝寬度調整電路將二值化電路輸出的脈衝的時間長度設為固定而加以輸出。

[作用．效果]上述構成表示本發明的更具體的構成。上述構成中，二值化電路輸出的脈衝的寬度並非為固定。這是因為，光電二極體的擊穿電壓(breakdown voltage)具有溫度依存性(temperature dependence)，光子檢測時的輸出電流會受到溫度的影響。並且，由於各光電二極體的擊穿電壓中產生不均，因而嚴格來說各光電二極體的輸出電流不同。藉由設為上述構成，脈衝寬度調整電路將從二值化電路輸出的脈衝的時間長度設為固定而加以輸出。藉此，可提供不依據光電二極體的溫度以及擊穿電壓的不均，而可輸出固定的脈衝的半導體光電倍增元件。

而且，若為搭載著上述半導體光電倍增元件的光檢測器，且半導體光電倍增元件排列為二維矩陣狀，則更理想。

而且，若為搭載著上述半導體光電倍增元件的放射線檢測器，且該放射線檢測器包括：將放射線轉換為螢光的閃爍體(scintillator)，以及半導體光電倍增元件排列為二維矩陣狀並且對螢光進行檢測的光檢測器，則更理想。

[作用．效果]上述構成表示本發明的更具體的構成。具有本發明的半導體光電倍增元件的光檢測器以及放射線檢 測器改善了時間解析度，從而適於生成使用了正確時間資訊的清晰的放射線圖像。

而且，上述半導體光電倍增元件中，若包括對光的入射位置加以區別的多個輸出端子，且上述半導體光電倍增元件為多通道型，則更理想。

[作用．效果]上述構成表示本發明的更具體的構成。本發明亦可適用於多通道型的半導體光電倍增元件。

根據本發明的構成，包括連接於光電二極體的二值化電路。某光電二極體檢測到光子時所產生的電流的一部分，流入至經由電阻而與光電二極體並聯連接的相鄰的光電二極體中。此時的電流被充電至相鄰的光電二極體的寄生電容且被釋放。然而，所釋放的電流會被二值化電路阻擋而不會流向輸出端子側，從而亦無法使二值化電路導通斷開。因此，根據本發明的構成，可不受到寄生電容的影響地來對光進行檢測。因此，根據本發明，可提供具有高檢測精度以及良好的時間解析度的半導體光電倍增元件。

以下，對用以實施本發明的形態進行說明。

實施例1 〈放射線檢測器的構成〉

圖1表示本發明的放射線檢測器1的構成。本發明的放射線檢測器1可檢測到γ射線，且搭載於正電子發射斷層攝影(Positron Emission Tomography，PET)裝置等中。

對放射線檢測器1的構成進行簡單說明。放射線檢測器1如圖1所示，包括將γ射線轉換為螢光的閃爍體2、以及對螢光進行檢測的光檢測器3。而且，在介於閃爍體2與光檢測器3的之間的位置，具備接收螢光的導光管(light guide)4。

閃爍體2是將閃爍體結晶進行二維排列而構成。閃爍體結晶C包含Ce擴散而成的Lu_2(1-x) Y_2x SiO₅ (以下稱作LYSO)。而且，光檢測器3可確認由哪一閃爍體結晶發出螢光的螢光產生位置，並且亦可確認螢光的強度或螢光產生的時刻。放射線檢測器1可求出藉由螢光的強度而檢測到的γ射線的能量，並且可輸出能量資料。而且，實施例1的構成的閃爍體2不過為可採用的形態的例示。因此，本發明的構成並不限定於此。

圖2說明光檢測器3的構成。光檢測器3中，多個半導體光電倍增元件3a排列為二維矩陣狀。半導體光電倍增元件3a例如形成1毫米×1毫米的正方形的形狀。就半導體光電倍增元件3a而言，若螢光入射，則可對螢光的入射時間與螢光的強度進行檢測。

圖3說明半導體光電倍增元件3a的構成。在半導體光電倍增元件3a中，多個光電二極體排列為二維矩陣狀。光電二極體例如在半導體光電倍增元件中排列成縱100行、橫100列。就光電二極體而言，若構成螢光的光子入射，則輸出內容為檢測到某固定的時間螢光的信號。在底下的說明中，將設置於半導體光電倍增元件3a的光電二極體簡 稱作二極體D。二極體D相當於本發明的光電二極體。

圖4表示半導體光電倍增元件3a的等效電路。半導體光電倍增元件3a中，多個二極體D經由後述的陽極側電阻Ra以及陰極側電阻Rk而並聯連接構成。亦可表現為：在半導體光電倍增元件3a中，包含串聯連接的3個元件Rk、D、Ra的模組以極性相同的方式並聯連接。

在各個該二極體D中安裝著各種元件。對一個二極體D與安裝於該二極體D的元件的連接的情況進行說明。在一個二極體D的陽極a側串聯連接著陽極側電阻Ra，在二極體D的陰極k側串聯連接著陰極側電阻Rk。而且，二極體D的陰極k經由陰極側電阻Rk而連接於偏壓電壓供給端子Vb1。同樣地，二極體D的陽極a經由陽極側電阻Ra而連接於偏壓電壓供給端子Vb2。亦即，偏壓電壓供給端子Vb1連接於陰極側電阻Rk中的未連接著二極體D的二極體非連接節點，偏壓電壓供給端子Vb2連接於陽極側電阻Ra中的未連接著二極體D的二極體非連接節點。偏壓電壓供給端子Vb1以及偏壓電壓供給端子Vb2相當於本發明的供給端子，陽極側電阻Ra相當於本發明的二極體連接電阻。而且，陰極側電阻Rk相當於本發明的二極體連接電阻。

相比於偏壓電壓供給端子Vb2，偏壓電壓供給端子Vb1中被供給著更高的電壓。因此，對二極體D朝向相反方向施加偏壓電壓。因此，成為二極體D中未流動電流的狀態。然而，因施加至二極體D的兩極的電壓超過擊穿電 壓Vbd，故嚴格來說，二極體D僅容許從偏壓電壓供給端子Vb1朝向偏壓電壓供給端子Vb2的電流的通過。被施加至該二極體D的兩極的電壓被抑制得充分低於二極體D開始擊穿的電壓。

位於二極體D的陽極a與陽極側電阻Ra之間的中間節點連接於AD(Analog-to-Digital)轉換電路11的輸入。關於該AD轉換電路11的功能，將於以後進行敍述。AD轉換電路11的輸出經由後述的轉換電阻Ro而連接於半導體光電倍增元件3a的輸出端子Iout。AD轉換電路11相當於本發明的二值化電路。

如此，在各個二極體D中，如圖4所示般連接著3個電阻Ra、Rk、Ro與一個AD轉換電路11，從而構成一個模組。該模組極性相同且並聯連接多個而構成半導體光電倍增元件3a。半導體光電倍增元件3a所具有的AD轉換電路11的各個輸出端子經由轉換電阻Ro而連接於共用的輸出端子Iout。因此，從輸出端子Iout輸出半導體光電倍增元件3a所具有的所有AD轉換電路11之輸出的合計。正確地說，輸出端子Iout的輸出是各個AD轉換電路11將所產生的電壓變化轉換為電流所得。

對AD轉換電路11的功能進行說明。AD轉換電路11是將成為類比資料的來自二極體D的輸出信號轉換為數位資料的電路，具體而言，是包含反相器電路的二值化電路。亦即，AD轉換電路11將二極體的輸出整形為脈衝狀後加以輸出。

對AD轉換電路11所進行的波形的整形進行具體說明。圖5上側模式性地表示來自二極體D的輸出信號。來自二極體D的輸出實際上為如圖示般的三角波形的電壓變化。若將此種信號輸入至AD轉換電路11，則從AD轉換電路11輸出如圖5下側般的井型的波形的電壓變化。具體而言，在AD轉換電路11中設定臨限值(threshold)，AD轉換電路11持續地輸出規定的電壓Vh直至輸入的電壓增加而超過臨限值為止。而且，若輸入的電壓超過臨限值，則AD轉換電路11開始輸出VI。然後，AD轉換電路11輸出VI直至輸入的電壓減少而低於臨限值為止。然後，若輸入的電壓低於臨限值，則AD轉換電路11再次開始輸出規定的電壓Vh，並維持該狀態直至從二極體D被輸入下一個信號為止。圖5上側的Vs表示設定於AD轉換電路11中的臨限值。而且，圖5下側的Vh表示設定於AD轉換電路11中規定的電壓。

對轉換電阻Ro進行說明。設置該轉換電阻Ro的目的在於將AD轉換電路11的動作作為信號而提取。因AD轉換電路11只不過是將電壓的變化予以輸出，故並非根據輸出而輸出某種電流信號。因此，將該電壓變化轉換為電流的增減的轉換電阻Ro連接於AD轉換電路11。通過轉換電阻Ro的電流根據AD轉換電路11的輸出的電壓而發生變化。而且，通過了轉換電阻Ro的電流被輸出至半導體光電倍增元件3a的輸出端子Iout中。如此，AD轉換電路11的輸出端子的電壓變化藉由轉換電阻Ro而被轉換為電 流信號，並被輸出至半導體光電倍增元件3a的輸出端子Iout。

〈半導體光電倍增元件的動作〉

其次，對半導體光電倍增元件3a的動作進行說明。若光子入射至半導體光電倍增元件3a所具有的二極體D中的一個，則二極體D引起蓋革放電，電流從偏壓電壓供給端子Vb1朝向偏壓電壓供給端子Vb2流動(Vb1_Vb2間電流)。於是，位於二極體D的陽極a與陽極側電阻Ra之間的中間節點的電壓發生變化。若如上述般二極體D引起蓋革放電，則施加至二極體D的兩極的電壓降低，因而二極體D從蓋革放電狀態復原，從而不再流動Vb1_Vb2間電流。於是，二極體D的陽極a的電壓(中間節點的電壓)回到光子入射前。如此，若光子入射至二極體D，則在中間節點產生圖5上側所說明的三角形狀的電壓變化。中間節點的三角形狀的電壓變化藉由AD轉換電路11而二值化後，藉由轉換電阻Ro而轉換為電流信號，並流向輸出端子Iout。

〈實施例1的構成的優點〉

然而，二極體D具有寄生電容。該寄生電容在現有構成中，會妨礙正確的光檢測。然而，根據實施例1的構成，能夠不受寄生電容的影響地來進行光檢測。對實施例1的信號的提取與寄生電容的關係進行具體說明。

圖6表示螢光已入射至某二極體D的狀態。圖6中，未使用二極體的記號來描繪與光子所入射的二極體D相鄰 來排列的光電二極體。圖6中，相鄰的二極體表示為具有寄生電容的電容器，且附上符號D_cp。因此，圖6中的由符號D_cp表示的電容器實際為光電二極體的寄生電容。

若光子入射至圖6的二極體D中，則會引起蓋革放電，從而Vb1_Vb2間電流流動。該電流的一部分如虛線所示般迴繞至相鄰的二極體(圖6中D_cp)中。該迴繞的電流被充電至寄生電容D_cp中，且被緩慢釋放。該經釋放的電流被AD轉換電路11阻擋而無法流向輸出端子Iout側。因此，不會出現如現有構成般從寄生電容D_cp釋放的電流緩慢朝向輸出端子Iout流動的情況。

然而，伴隨電流的釋放，電壓變化被輸入至AD轉換電路11。若假設AD轉換電路11根據該電壓變化而進行動作，則會從輸出端子Iout輸出信號，該信號表示光從未入射有光的二極體入射。然而，根據實施例1的構成，設法不引起此種AD轉換電路11的誤作動。

亦即，設定於AD轉換電路11的關於導通斷開的臨限值被設定得充分高，以使得不會引起如上述般的誤作動。被充電至寄生電容D_cp的電流少，伴隨該電流的中間節點的電壓變化亦少。根據實施例1的構成，設定於AD轉換電路11的臨限值被設定為比由寄生電容D_cp引起的電壓的變動高的值。因此，即便藉由寄生電容D_cp釋放電流而電壓的微小變動被輸入至AD轉換電路11的輸入，該電壓的變動對於AD轉換電路11而言亦不過為小於臨限值的變動。因此，AD轉換電路11不會根據該電壓的變動而 變更輸出電壓。如此，AD轉換電路11不會因由寄生電容D_cp引起的電壓的變動而發生誤作動。

另外，實施例1的構成中，與現有的構成相比，迴繞至寄生電容D_cp的電流亦得到抑制。亦即，這是因為在電流到達寄生電容D_cp之前，必須通過陽極側電阻Ra。

〈實施例1的構成的其他優點〉

因實施例1的構成除上述優點外亦具有其他的優點，故對其他的優點進行說明。二極體D根據室溫條件而特性發生變化。根據實施例1的構成，可不受該特性的變化的影響地來檢測螢光。

圖7表示在室溫為低溫的條件下二極體D動作的情況，圖8表示在室溫為高溫的條件下二極體D動作的情況。圖7左側將施加至二極體D的電壓表示為電位。圖中的虛線為表示擊穿電壓的電位，擊穿電壓由符號Vbd來表示。此時，二極體D的陰極k的電位必須高於相當於該擊穿電壓Vbd的電位。不然不會產生二極體D的蓋革放電現象，從而無法進行螢光的檢測。圖7中央表示螢光(光子)入射至二極體D的情況。亦即，若螢光入射至二極體D，則Vb1_Vb2間電流流動。圖中Vb1_Vb2間電流表示為I(Vb1_Vb2)。圖7右側表示低溫狀態下二極體D輸出的電壓變化。關於該電壓變化的發生的詳細情況已進行了說明。

圖8左側將施加至高溫狀態的二極體D的電壓表示為電位。圖中的虛線為表示擊穿電壓Vbd的電位。藉由將圖7與圖8加以比較，則可知隨著二極體D成為高溫而擊穿 電壓Vbd上升。此種擊穿電壓Vbd的溫度引起的變動是二極體D所具有的特性之一。

然而，施加至二極體D的兩極的電壓不依賴於室溫而為固定。這表示，若二極體D為高溫，則如圖8左側所示，二極體D的兩極間的電壓接近擊穿電壓Vbd。若在此種狀態下螢光入射至二極體D，則如圖8中央所示，Vb1_Vb2間電流減小。圖8右側表示高溫狀態下二極體D輸出的電壓變化。

如此，二極體D的輸出根據室溫的變化而表觀上發生變化。現有的構成中，為了消除該影響而必須進行修正。亦即，根據現有構成，必須根據室溫來調整半導體光電倍增元件3a的輸出信號的增幅率(amplification factor)、或者調整所施加的偏壓電壓。

另一方面，根據實施例1的構成，無須進行此種增幅率的調整。圖9說明實施例1的構成。圖中的左上的曲線(graph)表示低溫狀態的二極體D的輸出，右上的曲線表示高溫狀態的二極體D的輸出。其中，圖中的左上的低溫狀態下的電壓變化藉由AD轉換電路11而如圖中的左下般進行轉換。同樣地，圖中的右上的高溫狀態下的電壓變化藉由AD轉換電路11而如圖中的右下般進行轉換。若將高溫狀態與低溫狀態加以比較則可知，藉由AD轉換電路11進行導通斷開而輸出的電壓的變動幅度不依賴於溫度而為固定。因此，從AD轉換電路11輸出的電壓的變動幅度不因溫度而發生變動。藉由設為此種構成，可提供能夠不受 室溫變化影響地輸出固定的檢測信號的半導體光電倍增元件3a。

而且，二極體D的擊穿電壓中存在差異。因此，根據現有的構成，藉由各個二極體D而產生輸出的差異。這是因為Vb1_Vb2間電流取決於擊穿電壓與施加至二極體D的電壓的關係。另一方面，根據實施例1的構成，不會產生此種輸出的差異。這是因為，藉由AD轉換電路11進行導通斷開而輸出的電壓的變動幅度，不依賴於二極體D的擊穿電壓而為固定。因此，從AD轉換電路11輸出的電壓的變動幅度不因二極體D的擊穿電壓的差異而發生變動。藉由設為此種構成，可提供能夠不受二極體D的個體差影響地輸出固定的檢測信號的半導體光電倍增元件3a。

如以上般，根據本發明的構成，包括有連接於二極體D的AD轉換電路11。藉由設為此種構成，從二極體D輸出的電壓變化藉由AD轉換電路11數位化後輸出。某二極體D檢測到光子時所產生的電流的一部分流入至與二極體D並聯連接的相鄰的二極體D中。此時的電流被充電至相鄰的二極體D的寄生電容Cp，且欲在不久後流入至半導體光電倍增元件3a的輸出端子Iout。然而，從該寄生電容Cp釋放的電流被AD轉換電路11阻擋而無法流向輸出端子Iout側。並且，該電流為檢測到光子時所產生的電流的一部分，為微弱的電流。因此，藉由從寄生電容Cp釋放的電流而輸入至AD轉換電路11的電壓變化並未強至能夠使AD轉換電路11導通斷開。因此，根據本發明的構成， 可不受從寄生電容Cp釋放的電流的影響地來對光進行檢測。因此，根據本發明，可提供具有高檢測精度以及良好的時間解析度的半導體光電倍增元件3a。

而且，具有本發明的半導體光電倍增元件3a的光檢測器以及放射線檢測器改善了信號精度以及時間解析度，從而適於生成清晰的放射線圖像。

本發明並不限於上述構成，亦可如下述般實施變形。

(1)上述實施例中，AD轉換電路11直接連接於轉換電阻Ro，但本發明並不限於該構成。亦即，如圖10所示，AD轉換電路11亦可經由脈衝寬度調整電路12而連接於轉換電阻Ro。脈衝寬度調整電路12將AD轉換電路11對二極體D的輸出進行整形而成者，進一步加以整形。

脈衝寬度調整電路12在所輸入的脈衝的時間寬度處於某個下限值與上限值之間時，輸出規定的時間寬度的脈衝。因此，脈衝寬度調整電路12設定下限值、上限值、及表示所輸出的脈衝的時間寬度的設定值。該脈衝寬度調整電路12將AD轉換電路11輸出的脈衝的時間長度設為固定而加以輸出，且設置在AD轉換電路11與轉換電阻Ro之間。

若為設置脈衝寬度調整電路12的構成，則可提供能夠輸出可靠性更高的信號的半導體光電倍增元件3a。對實施例1的構成的改善點進行說明。根據圖9的構成，從AD轉換電路11輸出的電壓的高低(藉由進行導通斷開而輸出的電壓的變動幅度)確實無溫度依存性。然而，高溫狀態 時從AD轉換電路11輸出的脈衝的時間寬度要比低溫狀態時窄。這是因為，高溫狀態的二極體D的陽極a中的電壓高於AD轉換電路11中設定的臨限值的時間要比低溫狀態時短。

圖11表示藉由本變形例的構成如何將二極體D的輸出加以整形。圖11左側表示二極體D的輸出。若觀察圖11左側則可知，二極體D的溫度越上升，則從二極體D輸出的電壓變化越小。圖11中央表示AD轉換處理後的電壓變化的波形。藉此，任一溫度條件下，二極體D的輸出均以脈衝的大小(電壓的變化的大小)相同的方式將電壓變化的波形加以整形。然而，在該時間點，脈衝的時間寬度因溫度而存在差異。

圖11右側表示脈衝寬度調整處理後的電壓變化的波形。如此，任一溫度條件下，二極體D的輸出均為脈衝的大小相同，並且脈衝的時間寬度亦相同。若設為此種構成，則半導體光電倍增元件3a所具有的各個二極體D能夠不依賴於室溫而一直輸出相同的脈衝。

在實施例1的構成中，AD轉換電路11輸出的脈衝的寬度並非為固定。這是因為，就蓋革放電的放電量而言，二極體D具有溫度依存性。藉由設為上述構成，脈衝寬度調整電路12將從AD轉換電路11輸出的脈衝的時間長度設為固定而加以輸出。藉此，可提供能夠不依賴於二極體D的溫度而輸出固定的脈衝的半導體光電倍增元件3a。

(2)上述實施例中，AD轉換電路11連接於二極體D 與陽極側電阻Ra之間的中間節點，但本發明並不限定於該構成。亦可代替該構成，而如圖12所示般，將AD轉換電路11的輸入連接於二極體D與陰極側電阻Rk之間的中間節點。另外，該情況下亦可設為省略陽極側電阻Ra的構成。

(3)根據上述構成，相對於一個二極體D，各具備一個陽極側電阻Ra、陰極側電阻Rk、AD轉換電路11、以及轉換電阻Ro，但本發明並不限定於該構成。亦可設為相對於多個二極體D而各具備一個陽極側電阻Ra、陰極側電阻Rk、AD轉換電路11、以及轉換電阻Ro的構成。亦即，如圖13所示，亦可在不經由電阻而使極性與二極體D的兩極一致的狀態下，將輔助二極體Dh並聯連接。亦即，本變形例的構成中，在不經由電阻而使極性與二極體D的AD轉換電路11的連接節點一致的狀態下，輔助光電二極體(二極體Dh)與二極體D並聯設置。而且，本變形例的構成亦可表現為：在不經由電阻而使極性與二極體D的陽極側電阻Rk的連接節點一致的狀態下，輔助光電二極體(二極體Dh)與二極體D並聯設置。

此時，二極體D以及輔助二極體Dh不經由電阻而直接並聯連接，AD轉換電路11的輸入連接於多個二極體。該構成中，來自不經由電阻而並聯連接的各二極體D、Dh的輸出經合計後被送出至AD轉換電路11。

如此，在本變形例中的各個二極體D中，如圖13所示連接著3個電阻Ra、Rk、Ro、多個輔助二極體Dh以及 一個AD轉換電路11，從而構成一個模組。該模組並聯連接多個而構成半導體光電倍增元件3a。藉由設為此種構成，可簡化光檢測器的配線。輔助二極體Dh相當於本發明的輔助光電二極體。

而且，在圖13的構成中，亦可設為將電阻串聯插入至各個輔助二極體Dh的陰極側的構成。該構成中，輔助二極體Dh在使極性與二極體D一致的狀態下，經由連接於輔助光電二極體Dh的陰極k側的電阻而與光電二極體D並聯設置。而且，該構成亦可表現為：在不經由電阻而使極性與二極體D的AD轉換電路11的連接節點一致的狀態下，輔助光電二極體Dh與二極體D以及二極體連接電阻並聯設置。

(4)而且，實施本發明時，如圖14所示，亦可於二極體D的兩端設置AD轉換電路。根據該構成，包括：輸入端子連接於二極體D與陽極側電阻Ra之間的中間節點的陽極側AD轉換電路11a，以及輸入端子連接於二極體D與陰極側電阻Rk之間的中間節點的陰極側AD轉換電路11k。另外，該構成中，由符號Ro_a來表示連接於陽極側AD轉換電路11a的轉換電阻Ro，且由符號Ro_k來表示連接於陰極側AD轉換電路11k的轉換電阻Ro。陽極側AD轉換電路11a相當於本發明的陽極側二值化電路，陰極側AD轉換電路11k相當於本發明的陰極側二值化電路。亦即，本變形例的構成具有多個輸出端子Iout_a、Iout_k，該些輸出端子Iout_a、Iout_k連接於經由AD轉換 電路而連接於二極體D的多個轉換電阻Ro_a、Ro_k的各個輸出。

本變形例中，半導體光電倍增元件3a具有兩個系統的輸出端子。亦即，如圖15所示，陽極側AD轉換電路11a所具有的各個輸出連接於共用的輸出端子Iout_a，陰極側AD轉換電路11k所具有的各個輸出連接於共用的輸出端子Iout_k。藉由如此，可提供能夠進行更正確的光的檢測的半導體光電倍增元件3a。亦即，例如可將輸出端子Iout_a連接於辨別入射光的強度的電路，將輸出端子Iout_k連接於辨別入射光的產生時間的電路。藉由如此，兩種辨別電路不會發生干擾而產生雜訊(noise)，因而半導體光電倍增元件3a的精度提高。另外，上述示例中，亦可使用輸出端子Iout_k來代替輸出端子Iout_a，也可使用輸出端子Iout_a來代替輸出端子Iout_k。

而且，亦可將輸出端子Iout_k的輸出用於各種辨別，將輸出端子Iout_a的輸出用作參照用。藉由如此，可提供可靠性高的半導體光電倍增元件3a。另外，該構成中，亦可將輸出端子Iout_a的輸出用於各種辨別，將輸出端子Iout_k的輸出用作參照用。

如此，若如上述般針對每個光電二極體而具有兩種AD轉換電路11，則可將各個AD轉換電路11用於不同的用途中。例如，將AD轉換電路11中的一個設為螢光強度辨別用，另一個設為檢測時刻辨別用，從而可提供檢測精度得以提高的半導體光電倍增元件3a。

(5)另外，亦可將輸出端子Iout_k以及Iout_a的輸出作為差動信號而使用。藉由如此而可提供雜訊耐性高的半導體光電倍增元件3a。

(6)而且，亦可將實施例的構成設為多通道型的半導體光電倍增元件。此種多通道型的半導體光電倍增元件可區分出光入射至元件的哪一位置。此種元件中，並非設置一個輸出端子，而是設置著多個輸出端子，該多個輸出端子將連接於任意的光電二極體的AD轉換電路11以及轉換電阻Ro的輸出加以連接。亦即，以如下方式構成：將元件中的排列著二極體D群的全部區域例如分為4個區域，且包括針對該4個區域中的每一個而為獨立的輸出端子。因此，此種元件中獨立地設置著4個於圖4中所說明的二極體D的並聯連接電路。如此，設置4個輸出端子的目的在於能夠區分光的入射位置。另外，該情況下，偏壓電壓供給端子Vb1、Vb2亦可於4電路之間為共用。

[產業上之可利用性]

如以上般，本發明適合於醫療領域或工業領域中的放射線檢測器。

1‧‧‧放射線檢測器

2‧‧‧閃爍體

3‧‧‧光檢測器

3a‧‧‧半導體光電倍增元件

4‧‧‧導光管

11‧‧‧AD轉換電路(二值化電路)

11a‧‧‧陽極側AD轉換電路(陽極側二值化電路)

11k‧‧‧陰極側AD轉換電路(陰極側二值化電路)

12‧‧‧脈衝寬度調整電路

a‧‧‧二極體D的陽極

C‧‧‧閃爍體結晶

Cp、D_cp‧‧‧寄生電容

D‧‧‧二極體(光電二極體)

Dh‧‧‧輔助二極體(輔助光電二極體)

Iout、Iout_k、Iout_a‧‧‧輸出端子

I(Vb1-Vb2)‧‧‧Vb1_Vb2間電流

k‧‧‧二極體D的陰極

Ra‧‧‧陽極側電阻(二極體連接電阻)

Rk‧‧‧陰極側電阻(二極體連接電阻)

Ro、Ro_a、Ro_k‧‧‧轉換電阻

Vb1、Vb2‧‧‧偏壓電壓供給端子(供給端子)

Vbd‧‧‧擊穿電壓

Vh‧‧‧電壓

Vs‧‧‧臨限值

圖1是說明本發明的放射線檢測器的構成的立體圖。

圖2是說明本發明的光檢測器的構成的平面圖。

圖3是說明本發明的半導體光電倍增元件的構成的平面圖。

圖4是本發明的半導體光電倍增元件的等效電路圖。

圖5是說明本發明的AD轉換電路的模式圖。

圖6是說明本發明的半導體光電倍增元件的動作的模式圖。

圖7是說明本發明的半導體光電倍增元件的動作的模式圖。

圖8是說明本發明的半導體光電倍增元件的動作的模式圖。

圖9是說明本發明的半導體光電倍增元件的動作的模式圖。

圖10是說明本發明的一變形例的等效電路圖。

圖11是說明本發明的一變形例的動作的模式圖。

圖12是說明本發明的一變形例的等效電路圖。

圖13是說明本發明的一變形例的等效電路圖。

圖14是說明本發明的一變形例的等效電路圖。

圖15是說明本發明的一變形例的等效電路圖。

圖16是說明現有構成的半導體光電倍增元件的構成的平面圖。

圖17是說明現有構成的半導體光電倍增元件的構成的等效電路圖。

圖18是說明現有構成的半導體光電倍增元件的問題點的等效電路圖。

圖19是說明現有構成的半導體光電倍增元件的問題點的等效電路圖。

圖20是說明現有構成的半導體光電倍增元件的問題 點的等效電路圖。

圖21是說明現有構成的半導體光電倍增元件的問題點的模式圖。

11‧‧‧AD轉換電路(二值化電路)

a‧‧‧二極體D的陽極

D‧‧‧二極體(光電二極體)

Iout‧‧‧輸出端子

k‧‧‧二極體D的陰極

Ra‧‧‧陽極側電阻(二極體連接電阻)

Rk‧‧‧陰極側電阻(二極體連接電阻)

Ro‧‧‧轉換電阻

Vb1、Vb2‧‧‧偏壓電壓供給端子(供給端子)

Claims (8)

1. 一種半導體光電倍增元件，對光進行檢測的多個光電二極體經由電阻而並聯連接，上述半導體光電倍增元件的特徵在於包括：供給端子，對各個上述光電二極體供給偏壓電壓；二極體連接電阻，與上述光電二極體串聯連接；以及二值化電路，其輸入連接於位於上述光電二極體與上述二極體連接電阻之間的中間節點；上述二值化電路的輸出經由將電壓變化轉換為電流信號的轉換電阻，而連接於上述半導體光電倍增元件的輸出端子。
2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體光電倍增元件，其中上述二極體連接電阻、上述二值化電路、以及上述轉換電阻設置在各個上述光電二極體中。
3. 如申請專利範圍第1項所述之半導體光電倍增元件，其中在不經由上述電阻而使極性與上述光電二極體的兩極一致的狀態下，輔助光電二極體與上述光電二極體並聯設置。
4. 如申請專利範圍第1項所述之半導體光電倍增元件，其中在使極性與上述光電二極體一致的狀態下，輔助光電二極體經由上述電阻而與上述光電二極體並聯設置。
5. 如申請專利範圍第1項所述之半導體光電倍增元件，其中上述二極體連接電阻中，連接於上述光電二極體的陽極側的陽極側電阻與連接於陰極側的陰極側電阻的兩 個上述電阻設置在一個上述光電二極體中；並且上述供給端子連接於上述陽極側電阻、以及上述陰極側電阻中的未連接著上述光電二極體的各個二極體非連接節點；上述二值化電路中，兩個上述二值化電路設置在一個上述光電二極體中，兩個上述二值化電路包括：陽極側二值化電路，其輸入連接於上述光電二極體與上述陽極側電阻之間的中間節點；以及陰極側二值化電路，其輸入連接於上述光電二極體與上述陰極側電阻之間的中間節點；上述陽極側二值化電路經由上述轉換電阻而連接於上述半導體光電倍增元件所具有的第一輸出端子，上述陰極側二值化電路經由上述轉換電阻而連接於上述半導體光電倍增元件所具有的第二輸出端子。
6. 如申請專利範圍第1項所述之半導體光電倍增元件，其中上述二值化電路包含反相器電路。
7. 如申請專利範圍第1項所述之半導體光電倍增元件，其中在上述二值化電路與上述轉換電阻之間設置著脈衝寬度調整電路，上述脈衝寬度調整電路將上述二值化電路所輸出的脈衝的時間長度設為固定而加以輸出。
8. 如申請專利範圍第1項至第7項中任一項所述之半導體光電倍增元件，更包括對上述光的入射位置加以區別的多個輸出端子，且所述半導體光電倍增元件為多通道型。