TWI796374B - 輻射檢測器、具有輻射檢測器之系統及電子顯微鏡以及用於測量輻射之方法 - Google Patents

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Abstract

本文所公開的是一種輻射檢測器，其包括：雪崩光電二極體(APD)，具有耦合到電極的第一側，並且配置成在線性模式中工作；電容器模組，電連接到電極，並且包括電容器，其中電容器模組配置成把來自電極的載荷子收集到電容器上；與電容器並聯的電流拉取模組，電流拉取模組配置成補償APD中的洩漏電流，並且包括電流源和調制器；其中電流源配置成輸出第一電流和第二電流；調制器配置成控制電流源輸出第一電流的時長與電流源輸出第二電流的時長的比率。

Description

輻射檢測器、具有輻射檢測器之系統及電子顯微鏡以及用於測量輻射之方法
本文的本公開涉及輻射檢測器，具體來說涉及基於能夠進行雜訊操控的雪崩二極體的輻射檢測器。
輻射檢測器是測量輻射的性質的裝置。性質的示例可包括輻射的強度、相位和極化的空間分佈。輻射可以是與受檢者進行交互的輻射。例如，由輻射檢測器所測量的輻射可以是穿透受檢者或者從受檢者反射的輻射。輻射可以是電磁輻射，例如紅外光、可見光、紫外光、X射線或γ射線。輻射可屬於其他類型，例如α射線和β射線。
一種類型的輻射檢測器基於輻射與半導體之間的交互。例如，這種類型的輻射檢測器可具有半導體層(其吸收輻射並且生成載荷子(例如電子和空穴))以及用於檢測載荷子的電路。
輻射檢測器可被“暗”雜訊(例如洩漏電流)不利地影響。輻射檢測器中的暗雜訊包括即使輻射檢測器配置成要檢測的輻射沒有入射到輻射檢測器時也存在的物理效應。隔離或降低暗雜訊對輻射檢測器所檢測的總體信號的影響對於使輻射檢測器更為有用是有幫助的。
本文所公開的是一種輻射檢測器，其包括：雪崩光電二極體(APD)，具有耦合到電極的第一側，並且配置成在線性模式中工作；電容器模組，電連接到電極，並且包括電容器，其中電容器模組配置成把來自電極的載荷子收集到電容器上；與電容器並聯的電流拉取模組，電流拉取模組配置成補償APD中的洩漏電流，並且包括電流源和調制器；其中電流源配置成輸出第一電流和第二電流；調制器配置成控制電流源輸出第一電流的時長與電流源輸出第二電流的時長的比率。
按照實施例，電流拉取模組是可調整的。
按照實施例，電流拉取模組配置成轉移經過電流拉取模組的APD的洩漏電流。
按照實施例，第一電流和第二電流在幅值、方向或者這兩個方面是不同的。
按照實施例，第一電流和第二電流的至少一個比APD的洩漏電流要大至少一個數量級。
按照實施例，暗雜訊的電流從1pA至1000pA。
按照實施例，調制器包括處理器或記憶體。
按照實施例，調制器包括開關。
按照實施例，輻射包括軟X射線、紫外(UV)光或者遠紫外(EUV)光。
按照實施例，電流源包括電流反射鏡。
按照實施例，調制器位於電流反射鏡的輸入級。
按照實施例，調制器包括電流源，其配置成以交替幅值來輸出電流。
按照實施例，調制器包括電流源，其配置成以可調整的時長比率來輸出電流的兩個幅值。
按照實施例，調制器位於電流反射鏡的輸出級。
按照實施例，調制器包括開關，其配置成將電流拉取模組可控地連接到電容器以及將它與電容器可控地斷開。
按照實施例，輻射檢測器還包括：第一電壓比較器，配置成將電極的電壓與第一閾值進行比較；第二電壓比較器，配置成將電壓與第二閾值進行比較；計數器，配置成記錄吸收層所吸收的光子的數量；控制器；其中控制器配置成從第一電壓比較器確定電壓的絕對值等於或超過第一閾值的絕對值的時間開始時間延遲；控制器配置成在該時間延遲期間(包括開始和到期)啟動第二電壓比較器；控制器配置成在第二電壓比較器確定電壓的絕對值等於或超過第二閾值的絕對值時使計數器所記錄的數量增加一。
按照實施例，控制器配置成在時間延遲開始或到期時啟動第二電壓比較器。
按照實施例，該設備還包括伏特計，以及控制器配置成在時間延遲到期時使伏特計測量電壓。
按照實施例，控制器配置成基於在時間延遲到期時所測量的電壓的值來確定X射線光子能。
按照實施例，控制器配置成將電極連接到電接地。
按照實施例，電壓的變化率在時間延遲到期時基本上為零。
按照實施例，電壓的變化率在時間延遲到期時基本上為非零。
按照實施例，該設備包括APD陣列。
本文所公開的是一種包括上述設備以及X射線源的系統，其中該系統配置成對人體胸腔或腹部執行X射線照相。
按照實施例，該系統包括上述設備以及X射線源，其中該系統配置成對人體口腔執行X射線照相。
本文所公開的是一種貨物掃描或者非侵入式檢查(NII)系統，包括上述設備以及X射線源，其中貨物掃描或者非侵入式檢查(NII)系統配置成使用後向散射X射線來形成圖像。
本文所公開的是一種貨物掃描或者非侵入式檢查(NII)系統，包括上述設備以及X射線源，其中貨物掃描或者非侵入式檢查(NII)系統配置成使用經過被檢查對象所透射的X射線來形成圖像。
本文所公開的是一種全身掃描器系統，包括上述設備以及X射線源。
本文所公開的是一種X射線電腦斷層掃描(x射線CT)系統，包括上述設備以及X射線源。
本文所公開的是一種電子顯微鏡，包括上述設備、電子源以及電子光學系統。
本文所公開的是一種系統，包括上述設備，其中該系統是X射線望遠鏡或X射線顯微鏡，或者其中該系統配置成執行乳房X射線照相、工業缺陷檢測、顯微射線照相、鑄件檢查、焊接檢查或數字減影血管造影。
本文所公開的是一種方法，包括：確定在線性模式中工作的雪崩光電二極體(APD)的信號中的洩漏電流的份額；基於洩漏電流的份額、第一補償信號和第二補償信號來確定第一補償信號的時長與第二補償信號的時長的比率；以及採用具有該比率的相應時長的第一補償信號和第二補償信號來補償APD的信號的洩漏電流。
按照實施例，份額通過在APD沒有接收輻射的同時測量信號來確定。
按照實施例，第一補償信號和第二補償信號是電流。
本文所公開的是一種方法，包括：當雪崩光電二極體(APD)沒有接收輻射並且對APD的洩漏電流的補償存在時測量在線性模式中工作的APD的信號；如果 信號超過第一電平，則開始時間延遲；測量時間延遲結束時的APD的信號；以及如果時間延遲結束時的信號超過第二電平，則增加對洩漏電流的補償。
按照實施例，補償增加到一組離散值之中的某個幅值。
按照實施例，該方法還包括：如果時間延遲結束時的信號超過第二電平，則重置信號。
本文所公開的是一種方法，包括：當雪崩光電二極體(APD)沒有接收輻射並且對APD的洩漏電流的補償存在時測量在線性模式中工作的APD的信號；如果信號超過第一電平，則開始時間延遲；測量時間延遲結束時的APD的信號；確定時間延遲結束時的信號與時間延遲開始時的信號之間的差；以及基於該差來確定補償的幅值。
100:電流-電壓特性
110:通分支
120:斷分支
130:箭頭
VBD:擊穿電壓
I:電流
111:光的強度的函數
112:光的強度的函數
202:吸收區
204:放大區
300:輻射檢測器
301:公共電極
302:重摻雜層
303:鈍化材料
304:電極
310:吸收區
311:輻射吸收層
312:層
313:層
315:結
316:保護環
317:本征半導體層
321:放大區
350:APD
500:輻射檢測器
510:襯底
511:APD
512:通孔
520:襯底
521:電子系統
522:通孔
530:傳輸線
599:焊料塊
600:輻射檢測器
610:襯底
611:APD
612:通孔
620:襯底
621:電子系統
622:通孔
623:通孔
630:傳輸線
698:焊料塊
699:焊料塊
700:電子系統
701:第一電壓比較器
702:第二電壓比較器
704:二極體
705:開關
706:伏特計
709:電容器模組
710:控制器
720:計數器
788:電流拉取模組
901:電流源
902:調制器
1201:電流
1202:虛線
1203:電壓
1204:電壓
1301:脈衝輻射源
1302:對象
1401:脈衝輻射源
1402:對象
1501:脈衝輻射源
1502:行李
1600:輻射檢測器
1601:脈衝輻射源
1602:人體
1701:脈衝輻射源
1801:電子源
1802:樣本
1803:電子光系統
2001:脈衝輻射源
2002:對象
2010、2030、2070、2110、2120、2130、2140、2150、2160、2170、 2180、2210、2220、2230、2240、2250、2260:過程
2020:暗雜訊的份額
2040:時長的比率
2050:第一補償信號
2060:第二補償信號
圖1A示意示出線性模式和蓋革模式的APD的電流-電壓特性。
圖1B示意示出當APD處於線性模式時作為入射到APD上的光的強度的函數以及當APD處於蓋革模式時作為入射到APD上的光的強度的函數的APD中的電流。
圖2A、圖2B和圖2C示意示出按照實施例的APD的操作。
圖3A示意示出基於APD陣列的輻射檢測器的截面。
圖3B示出圖3A的輻射檢測器的變體。
圖3C示出圖3A的輻射檢測器的變體。
圖3D示出圖3A的輻射檢測器的變體。
圖4A和圖4B示意示出包括多個APD的輻射檢測器的截面圖。
圖5A和圖5B示意示出包括多個APD的輻射檢測器的截面圖。
圖6A和圖6B各示出按照實施例的輻射檢測器的電子系統的組件圖。
圖7A和圖7B分別示出配置成補償採取電流形式的暗雜訊的電路。
圖8示意示出按照實施例的輻射檢測器的電子系統中的電流拉取模組。
圖9和圖10示出電流拉取模組的兩個示例，其中電流拉取模組的電流源包括電流反射鏡。
圖11示意示出電流拉取模組所拉取的電流、可歸因於暗雜訊的跨電容器模組的電容器的電壓以及電流拉取模組所提供的電流，跨電容器模組的電容器的電壓僅歸因於暗雜訊、作為時間的函數。
圖12示意示出作為時間的函數的跨電容器的電壓，其中電容器模組包括電流拉取模組。
圖13示意示出補償輻射檢測器中的暗雜訊的方法的流程圖。
圖14A示意示出補償輻射檢測器中的暗雜訊的方法的流程圖。
圖14B示意示出補償輻射檢測器中的暗雜訊的方法的流程圖。
圖15-圖21各示意示出包括本文所述輻射檢測器的系統。
雪崩光電二極體(APD)是基於半導體材料的光電檢測器。例如，APD可採取反偏壓下的p-n結的形式(即，p-n結的p型區在比n型區要低的電位下偏壓)。p-n結可具有擊穿電壓。擊穿電壓是反偏壓，高於其，p-n結中的電流的指數增加可發生。
APD可工作在兩種模式之一。在一種模式，p-n結的反偏壓可高於擊穿電壓。在這裏，詞語“高於”表示反偏壓的絕對值大於擊穿電壓的絕對值。這種模式可稱作蓋革模式，以及工作在這種模式的APD可稱作單光子雪崩二極體 (SPAD)(又稱作蓋革模式APD或G-APD)。在另一種模式，p-n結的反偏壓可低於擊穿電壓，並且這種模式可稱作線性模式。
當光子(例如可見光、紫外或遠紫外(EUV)光)入射到APD時，它可生成載荷子(電子和空穴)。載荷子的一部分可通過APD中的電場來加速，並且可通過碰撞電離來觸發電流(例如SPAD的情況下的雪崩電流)。碰撞電離是材料中的一種過程，通過其，高能載荷子能夠通過其他載荷子的創建而失去能量。例如，在半導體中，具有足夠動能的電子(或空穴)能夠將束縛電子撞出其束縛態(在價帶中)，並且將它促進到導帶中的狀態，從而創建電子-空穴對。
圖1A示意示出線性模式和蓋革模式(即，當APD為SPAD時)的APD的電流-電壓特性100。APD可在高於擊穿電壓VBD(即，SPAD)具有電流-電壓特性100的分叉。當反偏壓高於VBD時，電子和空穴均可引起顯著電離，並且雪崩是自持的。當雪崩在高於VBD的反偏壓下被觸發(例如通過入射光子)時，維持雪崩電流(“通分支”110)；當雪崩在高於VBD的反偏壓下未被觸發時，極少電流流過(“斷分支”120)。在高於VBD的反向偏壓下，當入射光子觸發APD中的雪崩時，APD的電流-電壓特性100(如箭頭130所示)從斷分支120轉變成通分支110。這個轉變表示流經APD的電流從基本上為零到IL的有限值的急劇增加。這個轉變與蓋革計數器背後的機制相似。因此，在高於VBD的反偏壓下，APD工作在“蓋革模式”。工作在低於擊穿電壓的反偏壓的APD在線性模式中工作，因為APD中的電流與入射到APD上的光的強度成比例。
圖1B示意示出當APD處於線性模式時作為入射到APD上的光的強度的函數112以及當APD處於蓋革模式時(即，當APD為SPAD時)作為入射到APD上的光的強度的函數111的APD中的電流。在蓋革模式，電流呈現隨光的強度的超急劇增加和後續飽和。線性模式，電流與光的強度基本上成比例。
圖2A、圖2B和圖2C示意示出按照實施例的APD的操作。圖2A示出，當光子(例如X射線光子)由吸收區202來吸收時，可生成多個(對於X射線光子為100至10000個)電子-空穴對。吸收區202具有充分厚度並且因而具有對入射光子的充分吸收率(例如>80%或者>90%)。對於軟X射線光子，吸收區202可以是厚度為10微米或以上的矽層。吸收區202中的電場不是足夠高以引起吸收區202中的雪崩效應。圖2B示出電子和空穴在吸收區202中沿相反方向漂移。圖2C示出，當電子(或空穴)進入放大區204時，雪崩效應在那個放大區204中發生，由此生成更多電子和空穴。放大區204中的電場足夠高以引起進入放大區204的載荷子的雪崩，但不是過高以使雪崩效應是自持的。自持雪崩是一種雪崩，其在外部觸發(例如入射到APD上的光子或者漂移到APD中的載荷子)消失之後持續存在。放大區204中的電場可以是放大區204中的摻雜剖面的結果。例如，放大區204可包括p-n結或者其耗盡區中具有電場的異質結。雪崩效應的閾值電場(即，一種電場，高於其，雪崩發生，而低於其，雪崩效應不發生)是放大區204的材料的性質。放大區204可處於吸收區202的一側或兩個相對側。
圖3示意示出基於APD 350的陣列的輻射檢測器300的截面。APD 350的每個可具有作為圖2A、圖2B和圖2C所示示例的吸收區310和放大區320。輻射檢測器300中的APD 350的至少部分或全部可具有結合在一起的吸收區310。即，輻射檢測器300可具有採取吸收層311(其在APD 350的至少部分或全部之間共用)的形式的結合吸收區310。APD 350的放大區320是分立區。即，APD 350的放大區320沒有結合在一起。在實施例中，吸收層311可採取半導體晶圓(例如矽晶圓)的形式。吸收區310可以是本征半導體或極輕摻雜半導體(例如<1012摻雜劑/cm3、<1011摻雜劑/cm3、<1010摻雜劑/cm3、<109摻雜劑/cm3)，其中具有充分厚度，並且因而對感興趣入射光子(例如X射線光子)具有充分吸收率(例如>80%或 者>90%)。放大區320可具有結315，其通過至少兩個層312和313所形成。結315可以是p-n結的異質結。在實施例中，層312是p型半導體(例如矽)，以及層313是重摻雜n型層(例如矽)。詞語“重摻雜”不是程度術語。重摻雜半導體具有與金屬相當的電導率，並且呈現基本上線性正熱係數。在重摻雜半導體中，摻雜劑能級合併到能帶中。重摻雜半導體又稱作簡並半導體。層312可具有1013至1017摻雜劑/cm3的摻雜級。層313可具有1018至103摻雜劑/cm3或以上的摻雜級。層312和313可通過外延生長、摻雜劑注入或摻雜劑擴散來形成。層312和313的帶結構和摻雜級能夠選擇成使得結315的耗盡區電場比層312和313的材料中的電子(或空穴)的雪崩效應的閾值電場要大，但是不會過高以引起自持雪崩。即，結315的耗盡區電場應當在吸收區310中存在入射光子時引起雪崩，但是雪崩應當在吸收區310中沒有其他入射光子的情況下停止。
輻射檢測器300還可包括與APD 350的層313分別電接觸的電極304。電極304配置成收集流經APD 350的電流。
輻射檢測器300還可包括鈍化材料303，其配置成鈍化吸收區310的表面和APD 350的層313，以降低在這些表面的重組。
輻射檢測器300還可包括重摻雜層302(其與放大區320相對地設置在吸收區310上)以及重摻雜層302上的公共電極301。APD 350的至少部分或全部的公共電極301可結合在一起。APD 350的至少部分或全部的重摻雜層302可結合在一起。
當光子(例如可見光、紫、紫外或遠紫外(EUV)光)入射到輻射檢測器300時，它可被APD 350的吸收區310來吸收，以及載荷子可作為結果在吸收區310中生成。一種類型(電子或空穴)的載荷子朝那一個APD的放大區320漂移。當載荷子進入放大區320時，雪崩效應發生，並且引起載荷子的放大。放大載荷子能 夠經過那一個APD的電極304作為電流來收集。當那一個APD處於線性模式時，電流與吸收區310中每單位時間的入射光子的數量成比例(即，與在那一個APD的光強度成比例)。可編制APD處的電流，以表示光的空間強度分佈、即圖像。放大載荷子備選地可經過那一個APD的電極304來收集，以及光子的數量可從載荷子來確定(例如通過使用電流的時間特性)。
APD 350的結315應當是分立的，即，APD之一的結315不應當與APD的另一個的結315相結合。在APD 350的結315之一所放大的載荷子不應當與結315的另一個所共用。APD之一的結315可通過卷繞結的吸收區的材料、通過卷繞結的層312或313的材料、通過卷繞結的絕緣體材料或者通過摻雜半導體的保護環與相鄰APD的結315分隔。如圖3A所示，APD 350的每個的層312可以是分立的，即，沒有與APD的另一個的層312相結合；APD 350的每個的層313可以是分立的，即，沒有與APD的另一個的層313相結合。圖3B示出輻射檢測器300的變體，其中APD的部分或全部的層312結合在一起。圖3C示出輻射檢測器300的變體，其中結315通過保護環316來包圍。保護環316可以是絕緣體材料或摻雜半導體。例如，當層313是重摻雜n型半導體時，保護環316可以是與層313相同的材料但是沒有重摻雜的n型半導體。保護環316可存在於圖3A或圖3B所示的輻射檢測器300中。圖3D示出輻射檢測器300的變體，其中結315具有本征半導體層317，其夾合在層312與313之間。APD 350的每個中的本征半導體層317可以是分立的，即，沒有與另一個APD的另一本征半導體層317相結合。APD 350的部分或全部的本征半導體層317可結合在一起。
圖4A和圖4B示意示出包括多個APD 511的輻射檢測器500的截面圖。APD 511可在襯底510(例如半導體晶圓)中製作。一個或多個通孔512可存在於襯底510中，並且通孔512將APD 511電連接到襯底510的表面。備選地，APD 511 可設置在襯底510的表面，使得APD 511上的電氣觸點暴露於表面。傳遞和/或控制APD 511的電子系統521可在另一個襯底520中製作。電子系統521可包括控制器、偏壓源、開關、電流錶、記憶體、放大器或其他適當組件。電子系統521的一些組件可在襯底510中製作。電子系統521可配置成使用圖3所示的方法來使用APD 511。一個或多個通孔522可存在，並且將電子系統521電連接到襯底520的表面。備選地，電子系統521可設置在襯底520的表面，使得電子系統521上的電氣觸點暴露於表面。襯底520可包括傳輸線530，其配置成向/從電子系統521來傳送數據、電力和/或信號，並且經過其向/從APD 511來傳送數據、電力和/或信號。襯底510和520可通過適當襯底接合技術(例如倒裝晶片接合或直接接合)來接合。
如圖4A和圖4B所示，倒裝晶片接合使用沉積到襯底510和520的任一個的表面的焊料塊599。翻轉襯底510和520的任一個，並且對齊(例如經過通孔512、522或兩者)APD 511和電子系統521。使襯底510和520相接觸。焊料塊599可熔合，以便電連接APD 511和電子系統521。焊料塊599之間的任何空隙空間可填充有絕緣材料。
直接接合是沒有任何附加中間層(例如焊料塊)的晶圓接合過程。該接合過程基於兩個表面之間的化學接合。直接接合可處於升高溫度，但不一定是這樣。
圖5A和圖5B示意示出包括多個APD 611的輻射檢測器600的截面圖。APD 611可在襯底610(例如半導體晶圓)中製作。一個或多個通孔612可存在於襯底610中，並且通孔612將APD 611電連接到襯底610的表面。備選地，APD 611可設置在襯底610的表面，使得APD 611上的電氣觸點暴露於表面。襯底610可包括傳輸線630。傳遞和/或控制APD 611的電子系統621可在另一個襯底620中製作。電子系統621可包括控制器、偏壓源、開關、電流錶、記憶體、放大 器或其他適當組件。電子系統621的一些組件可在襯底610中製作。電子系統621可配置成使用圖3所示的方法來使用APD 611。一個或多個通孔622和623可存在，並且將電子系統621電連接到襯底620的表面。備選地，電子系統621可設置在襯底620的表面，使得電子系統621上的電氣觸點暴露於表面。襯底610和620可通過適當襯底接合技術(例如倒裝晶片接合或直接接合)來接合。
如圖5A和圖5B所示，倒裝晶片接合使用沉積到襯底610和620的任一個的表面的焊料塊699和698。翻轉襯底610和620的任一個，並且對齊(例如經過通孔612、622或兩者)APD 611和電子系統621。使襯底610和620相接觸。焊料塊699可熔合，以便電連接APD 611和電子系統621。焊料塊698可熔合，以便將電子系統621電連接到傳輸線630。傳輸線630配置成向/從電子系統621來傳送數據、電力和/或信號，並且經過其向/從APD 611來傳送數據、電力和/或信號。焊料塊699和698之間的任何空隙空間可填充有絕緣材料。
應當注意，按照實施例的輻射檢測器(例如輻射檢測器300、500和/或600)中的APD可在線性模式中工作。由入射到輻射吸收層(例如210或311)上的輻射所生成的信號可採取電流形式。同樣，暗雜訊也可採取電流(例如DC電流或者從電氣觸點219B或電極304所流動的洩漏電流)的形式。如果可確知電流，則可對電子系統(例如221、521或621)補償電流(例如從其中轉移)。
圖6A和圖6B各示出按照實施例的電子系統700的組件圖。系統700可以是本文所述電子系統的任一個，例如221、521或621。該系統包括電容器模組709，其電連接到二極體704的電極或者電氣觸點，其中電容器模組配置成收集來自電極的載荷子。二極體704可以是如本文所述的示範APD，以及電氣觸點可以是如本文所述示範APD的電氣觸點。電容器模組能夠包括電容器，以及來自電極的載荷子對某個時間週期(“積分週期”在電容器上累積。在積分週期已 經到期之後，電容器電壓被取樣，並且然後通過複位開關來複位。電容器模組能夠包括直接連接到電極的電容器。電容器可處於放大器的回饋路徑中。這樣配置的放大器稱作電容互阻抗放大器(CTIA)。CTIA通過阻止放大器飽和而具有高動態範圍，並且通過限制信號路徑中的帶寬來改進信噪比。
採取電流形式的暗雜訊如果未經補償，則連同輻射所生成的信號一起對電容器模組709中的電容進行充電。
圖7A和圖7B分別示出配置成提供電流以補償暗雜訊的電路。半導體裝置中的暗雜訊可包括半導體材料中的洩漏電流，例如APD中的洩漏電流。電流拉取模組788與電容器並聯。電流拉取模組788可以是可調整的，使得它所拉取的電流補償暗雜訊的電流。在圖7A和圖7B所示的電路中，暗雜訊的電流經過電流拉取模組788來轉移，使得暗雜訊的電流沒有對電容器充電。
暗雜訊的電流可以是例如在數微微安培(例如1-1000pA)的範圍中的極小電流。補償小電流可能是棘手的。圖8示意示出按照實施例的電流拉取模組788。電流拉取模組788可包括電流源901和調制器902。電流源901配置成輸出第一電流和第二電流。第一電流和第二電流在幅值、方向或者這兩個方面是不同的。調制器902控制電流源901輸出第一電流的時長與電流源901輸出第二電流的時長的比率。第一電流和第二電流可以不是與暗雜訊的電流同樣小，但是電流拉取模組788所拉取的電流的時間平均數因調制器902進行的調製而可等於暗雜訊的電流。例如，第一電流和第二電流的至少一個比暗雜訊的電流要大至少一個數量級。例如，如果第一電流為1nA並且第二電流為0，以及比率為1：999，則電流拉取模組788所拉取的電流的時間平均數為1pA。調制器902可與開關同樣簡單。調制器902可具有複雜電路，例如處理器或記憶體。
圖9和圖10示出電流拉取模組788的兩個示例，其中電流源901包括電流反射鏡。電流反射鏡是一種電路，其接收輸入電流，並且輸出與輸入電流成比例的電流。電流反射鏡能夠被看作是電流控制電流源(CCCS)。電流反射鏡可包括兩個級聯電流-電壓和電壓-電流轉換器，其放置在相同條件下並且具有相反特性。電流反射鏡可使用如這裏所示的MOSFET電晶體來實現。電流反射鏡可使用雙極結晶體管來實現。調制器902可位於電流反射鏡的輸出級，如圖9所示。例如，調制器902可包括開關，其將電流拉取模組788與電容器模組709中的電容可控的連接和斷開。調制器902可位於電流反射鏡的輸入級，如圖10所示。調制器902可包括以交替幅值輸出電流的電流源。調制器902可包括以可調整的時長比率來輸出電流的兩個幅值的電流源。
圖11示意示出作為時間的函數、電流拉取模組788所拉取的電流1201。虛線1202示出電流1201的時間平均數。圖11還示意示出作為時間的函數、可歸因於暗雜訊的跨電容器模組709的電容器的電壓1203以及電流拉取模組788所提供的電流。圖11還示意示出作為時間的函數、僅歸因於暗雜訊的跨電容器模組709的電容器的電壓120。從圖11能夠觀察到，電流拉取模組788所提供的基於時間平均數的電流消除暗雜訊對於跨電容器的電壓的影響。
圖12示意示出作為時間的函數的跨電容器的電壓，其中電容器模組709包括電流拉取模組788。在圖12中能夠看到疊加在平滑變化電壓上的細鋸齒波形。鋸齒波形可歸因於暗雜訊以及作為時間的函數、電流拉取模組788所提供的電流。
圖13示意示出補償輻射檢測器中的暗雜訊的方法的流程圖。在過程2010，確定輻射檢測器的信號中的暗雜訊的份額2020。例如，份額可通過在輻射檢測器沒有接收輻射的同時測量信號來確定。在過程2030，第一補償信號2050的時 長與第二補償信號2060的時長的比率2040基於暗雜訊的份額2020、第一補償信號2050和第二補償信號2060來確定。例如，第一補償信號2050和第二補償信號2060可以是電流源901所輸出的第一電流和第二電流。在過程2070，採用具有比率2040的相應時長的第一補償信號2050和第二補償信號2060來補償輻射檢測器的信號的暗雜訊。
圖14A示意示出補償輻射檢測器中的暗雜訊的方法的流程圖。在過程2110，當輻射檢測器沒有接收輻射並且輻射檢測器的暗雜訊的補償存在時，測量輻射檢測器的信號。在過程2120，如果信號尚未超過第一電平，則該流程回到過程2110；如果信號已經超過第一電平，則在過程2130開始時間延遲。在過程2140，測量時間延遲結束時的輻射檢測器的信號。在過程2150，如果信號沒有超過第二電平，則該流程結束，並且補償的電流幅值被認為足以補償暗雜訊的份額；如果時間延遲結束時的信號超過第二電平，則在過程2160增加暗雜訊的補償，在過程2170重置信號，並且該流程回到過程2110。備選地，在過程2150，如果信號沒有超過第二電平，則在過程2180降低第二電平，並且該流程回到過程2110；如果時間延遲結束時的信號超過第二電平，則在過程2160增加暗雜訊的補償，在過程2170重置信號，並且該流程回到過程2110。當增加暗雜訊的補償時，它可增加到一組離散值之中的某個幅值。補償的電流幅值可存儲在輻射檢測器的記憶體中。
圖14B示意示出補償輻射檢測器中的暗雜訊的方法的流程圖。在過程2210，當輻射檢測器沒有接收輻射並且輻射檢測器的暗雜訊的補償存在時，測量輻射檢測器的信號。在過程2220，如果信號尚未超過第一電平，則該流程回到過程2210；如果信號已經超過第一電平，則在過程2230開始時間延遲。在過程2240，測量時間延遲結束時的輻射檢測器的信號。在過程2250，確定時間延遲開始時 的信號(其可以簡單地為第一電平)和時間延遲結束時的信號的差。在過程2260，暗雜訊的補償的幅值基於該差來確定。
除了電容器模組709(其包括電流拉取模組788)之外，電子系統700還可包括第一電壓比較器701、第二電壓比較器702、計數器720、開關705、伏特計706和控制器710，如圖6A和圖6B所示。
第一電壓比較器701配置成將二極體704的電極的電壓與第一閾值進行比較。二極體可以是如本文所述的APD。備選地，第一電壓比較器701配置成將電氣觸點(例如電氣觸點219B的分立部分)的電壓與第一閾值進行比較。第一電壓比較器701可配置成直接監測電壓，或者通過對某個時間週期對流經二極體或電氣觸點的電流求積分來計算電壓。第一電壓比較器701可由控制器710可控地啟動或停用。第一電壓比較器701可以是連續比較器。即，第一電壓比較器701可配置成連續被啟動，並且連續監測電壓。配置為連續比較器的第一電壓比較器701降低系統700缺失入射光子所生成的信號的機會。當入射輻射強度較高時，配置為連續比較器的第一電壓比較器701是特別適合的。第一電壓比較器701可以是定時比較器，其具有更低功率消耗的有益效果。配置為定時比較器的第一電壓比較器701可能使系統700缺失入射光子所生成的信號。當入射輻射強度較低時，缺失入射光子的機會較低，因為兩個連續光子之間的時間間隔較長。因此，當入射輻射強度較低時，配置為定時比較器的第一電壓比較器701是特別適合的。第一閾值可以是一個入射光子可在APD中生成的最大電壓的5-10%、10%-20%、20-30%、30-40%或40-50%。最大電壓可取決於入射光子的能量(即，入射輻射的波長)、輻射吸收層的材料和其他因素。例如，第一閾值可以是50mV、100mV、150mV或200mV。
第二電壓比較器702配置成將電壓與第二閾值進行比較。第二電壓比較器702可配置成直接監測電壓，或者通過對某個時間週期對流經二極體或電氣觸點的電流求積分來計算電壓。第二電壓比較器702可以是連續比較器。第二電壓比較器702可由控制器710可控地啟動或停用。當停用第二電壓比較器702時，第二電壓比較器702的功率消耗可小於啟動第二電壓比較器702時的功率消耗的1%、5%、10%或20%。第二閾值的絕對值大於第一閾值的絕對值。如本文所使用的術語實數χ的“絕對值”或“模量”|χ|是χ的非負值，而不考慮其符號。即，
Figure 107137105-A0305-02-0019-1
。第二閾值可以是第一閾值的200%-300%。第二閾值可以是一個入射X射線光子可在二極體或電阻器中生成的最大電壓的至少50%。例如，第二閾值可以是100mV、150mV、200mV、250mV或300mV。第二電壓比較器702和第一電壓比較器701可以是同一組件。即，系統700可具有一個電壓比較器，其能夠在不同時間將電壓與兩個不同閾值進行比較。
第一電壓比較器701或者第二電壓比較器702可包括一個或多個op-amp或者任何其他適當電路。第一電壓比較器701或第二電壓比較器702可具有高速度，以允許系統700在入射X射線的高通量下操作。但是，具有高速度常常以功率消耗為代價。
計數器720配置成記錄到達二極體或電阻器的X射線光子的數量。計數器720可以是軟體組件(例如電腦記憶體中存儲的數值)或硬體組件(例如4017 IC和7490 IC)。
控制器710可以是硬體組件，例如微控制器或者微處理器。控制器710配置成從第一電壓比較器701確定電壓的絕對值等於或超過第一閾值的絕對值(例如，電壓的絕對值從低於第一閾值的絕對值增加到等於或高於第一閾值的絕對 值的值)的時間開始時間延遲。在這裏使用絕對值，因為電壓可以為負或正，這取決於是二極體的陰極還是陽極的電壓或者使用哪一個電氣觸點。控制器710可配置成在第一電壓比較器701確定電壓的絕對值等於或超過第一閾值的絕對值的時間之前保持停用第一電壓比較器701的操作不要求的第二電壓比較器702、計數器720和任何其他電路。時間延遲可在電壓變穩定、即電壓的變化率基本上為零之前或之後到期。詞語“電壓的變化率基本上為零”表示電壓的時間變化小於0.1%/ns。詞語“電壓的變化率基本上為非零”表示電壓的時間變化至少為0.1%/ns。
控制器710可配置成在該時間延遲期間(包括開始和到期)啟動第二電壓比較器。在實施例中，控制器710配置成在時間延遲開始時啟動第二電壓比較器。術語“啟動”表示使組件進入操作狀態(例如通過發送諸如電壓脈衝或邏輯電平之類的信號、通過提供電力等)。術語“停用”表示使組件進入非操作狀態(例如通過發送諸如電壓脈衝或邏輯電平之類的信號、通過切斷電力等)。操作狀態可具有比非操作狀態要高的功率消耗(例如高10倍、高100倍、高1000倍)。控制器710本身可停用，直到第一電壓比較器701的輸出在電壓的絕對值等於或超過第一閾值的絕對值時啟動控制器710。
控制器710可配置成在時間延遲期間、第二電壓比較器702確定電壓的絕對值等於或超過第二閾值的絕對值時，使計數器720所記錄的數值增加一。
控制器710可配置成在時間延遲到期時使伏特計706測量電壓。控制器710可配置成將電極連接到電接地，以便重置電壓，並且排放電極上累積的任何載荷子。在實施例中，電極在時間延遲到期之後連接到電接地。在實施例中，電極對有限重置時間週期連接到電接地。控制器710可通過控制開關705將電極連接到電接地。開關可以是電晶體(例如場效應電晶體(FET))。
在實施例中，系統700沒有模擬濾波器網路(例如RC網路)。在實施例中，系統700沒有模擬電路。
伏特計706可將所測量的電壓作為模擬或數字信號來饋送給控制器710。
控制器710可配置成控制電流拉取模組388。例如，控制器710可通過控制電流拉取模組788來改變暗雜訊的補償的幅值。控制器710可在圖13的流程中調整第一補償信號2050的時長與第二補償信號2060的比率2040。控制器710可運行駐留在易失性記憶體、非易失性記憶體、RAM、閃速記憶體、ROM、EPROM或者任何其他形式的非暫時電腦可讀存儲介質中的指令，並且由此實現圖13、圖14A和圖14B的流程。
圖15示意示出包括輻射檢測器1600的系統。輻射檢測器1600可以是本文所述輻射檢測器之一的一個示範實施例。該系統可用於醫療成像，例如胸腔X射線照相、腹部X射線照相等。該系統包括脈衝輻射源2001，其發射X射線。從脈衝輻射源2001所發射的X射線穿透對象2002(例如，人體部位，例如胸腔、肢體、腹部)，通過對象2002的內部結構(例如骨骼、肌肉、脂肪和器官等)不同程度地被衰減，並且投射到輻射檢測器1600。輻射檢測器1600通過檢測X射線的強度分佈來形成圖像。
圖16示意示出包括本文所述輻射檢測器1600的系統該系統可用於醫療成像，例如牙科X射線照相。該系統包括脈衝輻射源1301，其發射X射線。從脈衝輻射源1301所發射的X射線穿透對象1302，其是哺乳動物(例如人類)口腔的部分。對象1302可包括上頜骨、齶骨、牙齒、下頜骨或舌頭。X射線通過對象1302的不同結構不同程度地被衰減，並且投射到輻射檢測器1600。輻射檢測器1600通過檢測X射線的強度分佈來形成圖像。牙齒比蛀牙、感染、牙周膜要更 多地吸收X射線。由牙科患者所接收的X射線輻射的劑量通常較小(對全口系列為大約0.150mSv)。
圖17示意示出包括本文所述輻射檢測器1600的貨物掃描或者非侵入式檢查(NII)系統。該系統可用於檢查和識別運輸系統(例如集裝箱、車輛、船舶、行李等)中的商品。該系統包括脈衝輻射源1401。從脈衝輻射源1401所發射的輻射可從對象1402(例如集裝箱、車輛、船舶等)後向散射，並且投射到輻射檢測器1600。對象1402的不同內部結構可不同地後向散射輻射。輻射檢測器1600通過檢測後向散射輻射的強度分佈和/或後向散射輻射的能量來形成圖像。
圖18示意示出包括本文所述輻射檢測器1600的另一個貨物掃描或者非侵入式檢查(NII)系統。該系統可用於公共交通車站和機場的行李檢查。該系統包括脈衝輻射源1501，其發射X射線。從脈衝輻射源1501所發射的X射線可穿透一件行李1502，通過行李的內容以不同方式衰減，並且投射到輻射檢測器1600。輻射檢測器1600通過檢測所透射X射線的強度分佈來形成圖像。該系統可展現行李的內容，並且識別對公共交通所禁止的商品(例如火器、麻醉劑、銳器、易燃品)。
圖19示意示出包括本文所述輻射檢測器1600的全身掃描器系統。全身掃描器系統可為了安檢而檢測人體上的對象，而無需物理上移開服裝或進行物理接觸。該全身掃描器系統可以能夠檢測非金屬對象。該全身掃描器系統包括脈衝輻射源1601從脈衝輻射源1601所發射的輻射可從被檢查人體1602和其上的對象後向散射，並且投射到輻射檢測器1600。對象和人體可不同地後向散射輻射。輻射檢測器1600通過檢測後向散射輻射的強度分佈來形成圖像。輻射檢測器1600和脈衝輻射源1601可配置成沿線性或旋轉方向來掃描人體。
圖20示意示出X射線電腦斷層掃描(x射線CT)系統。X射線CT系統使用電腦處理X射線來產生被掃描對象的特定區域的斷層掃描圖像(虛擬“層面”)。斷層掃描圖像可用於各種醫學學科中的診斷和治療目的或者用於瑕疵檢測、故障分析、度量衡、組合件分析和逆向工程。X射線CT系統包括本文所述的輻射檢測器1600以及發射X射線的脈衝輻射源1701。輻射檢測器1600和脈衝輻射源1701可配置成沿一個或多個圓形或螺旋路徑同步地旋轉。
圖21示意示出電子顯微鏡。電子顯微鏡包括電子源1801(又稱作電子槍)，其配置成發射電子。電子源1801可具有各種發射機構，例如熱離子、光電陰極、冷發射或等離子體源。所發射電子經過電子光系統1803，其可配置成對電子進行整形、加速或聚焦。電子然後到達樣本1802，並且圖像檢測器可從其中形成圖像。電子顯微鏡可包括本文所述的輻射檢測器1600，以用於執行能量擴散X射線光譜(EDS)。EDS是用於樣本的元素分析或化學表徵的分析技術。當電子入射到樣本時，它們引起特性X射線從樣本的發射。人射電子可激發樣本的原子的內核層中的電子，從而在創建電子所在的電子空穴的同時將它從殼層中逐出。來自更高能量外殼層的電子然後填充空穴，並且更高能量殼層與更低能量殼層之間的能量的差可採取X射線形式來釋放。從樣本所發射的X射線的數量和能量能夠由輻射檢測器1600來測量。
這裏所述的輻射檢測器1600可得到其他應用，例如在X射線望遠鏡、X射線乳房X射線照相、工業X射線缺陷檢測、X射線顯微鏡或顯微射線照相、x射線鑄件檢查、X射線無損測試、X射線焊接檢查、X射線數字減影血管造影等。可適合使用這個輻射檢測器1600代替照相底板、膠片、PSP板、X射線圖像增強器、閃爍器或者X射線檢測器。
雖然本文公開了各個方面和實施例，但是其他方面和實施例將是本領域的 技術人員清楚知道的。本文所公開的各個方面和實施例是為了便於說明而不是要進行限制，其中真實範圍和精神通過以下權利要求書來指示。
300:輻射檢測器
301:公共電極
302:重摻雜層
303:鈍化材料
304:電極
310:吸收區
311:輻射吸收層
312:層
313:層
315:結
320:放大區
350:APD

Claims (34)

  1. 一種輻射檢測器，包括：雪崩光電二極體(APD)，具有耦合到電極的第一側，並且配置成在線性模式中工作；電容器模組，電連接到所述電極，並且包括電容器，其中所述電容器模組配置成把來自所述電極的載荷子收集到所述電容器上；與所述電容器並聯的電流拉取模組，所述電流拉取模組配置成補償所述APD中的洩漏電流，並且包括電流源和調制器；其中所述電流源配置成輸出第一電流和第二電流；所述調制器配置成控制所述電流源輸出所述第一電流的時長與所述電流源輸出所述第二電流的時長的比率。
  2. 如申請專利範圍第1項之輻射檢測器，其中，所述電流拉取模組是可調整的。
  3. 如申請專利範圍第1項之輻射檢測器，其中，所述電流拉取模組配置成轉移經過所述電流拉取模組的所述APD中的所述洩漏電流。
  4. 如申請專利範圍第1項之輻射檢測器，其中，所述第一電流和所述第二電流在幅值、方向或者這兩個方面是不同的。
  5. 如申請專利範圍第1項之輻射檢測器，其中，所述第一電流和所述第二電流的至少一個比所述APD中的所述洩漏電流要大至少一個數量級。
  6. 如申請專利範圍第1項之輻射檢測器，其中，所述APD中的所述洩漏電流從1pA至1000pA。
  7. 如申請專利範圍第1項之輻射檢測器，其中，所述調制器包括處理器或記憶體。
  8. 如申請專利範圍第1項之輻射檢測器，其中，所述調制器包括開關。
  9. 如申請專利範圍第1項之輻射檢測器，其中，所述輻射包括軟X射線、紫外(UV)光或者遠紫外(EUV)光。
  10. 如申請專利範圍第1項之輻射檢測器，其中，所述電流源包括電流反射鏡。
  11. 如申請專利範圍第10項之輻射檢測器，其中，所述調制器位於所述電流反射鏡的輸入級。
  12. 如申請專利範圍第11項之輻射檢測器，其中，所述調制器包括電流源，其配置成以交替幅值來輸出電流。
  13. 如申請專利範圍第11項之輻射檢測器，其中，所述調制器包括電流源，其配置成以可調整的時長比率來輸出電流的兩個幅值。
  14. 如申請專利範圍第10項之輻射檢測器，其中，所述調制器位於所述電流反射鏡的輸出級。
  15. 如申請專利範圍第14項之輻射檢測器，其中，所述調制器包括開關，其配置成將所述電流拉取模組可控地連接到所述電容器以及將它與所述電容器可控地斷開。
  16. 如申請專利範圍第1項之輻射檢測器，還包括：第一電壓比較器，配置成將所述電極的電壓與第一閾值進行比較；第二電壓比較器，配置成將所述電壓與第二閾值進行比較；計數器，配置成記錄所述APD所吸收的光子的數量；控制器； 其中所述控制器配置成從所述電壓比較器確定所述電壓的絕對值等於或超過所述第一閾值的絕對值的時間開始時間延遲；所述控制器配置成在所述時間延遲期間啟動所述第二電壓比較器；所述控制器配置成在所述第二電壓比較器確定所述電壓的絕對值等於或超過所述第二閾值的絕對值時，使所述計數器所記錄的所述數值增加一。
  17. 如申請專利範圍第16項之輻射檢測器，其中，所述控制器配置成在所述時間延遲開始或到期時啟動所述第二電壓比較器。
  18. 如申請專利範圍第16項之輻射檢測器，還包括伏特計，其中所述控制器配置成在所述時間延遲到期時使所述伏特計測量所述電壓。
  19. 如申請專利範圍第18項之輻射檢測器，其中，所述控制器配置成基於在所述時間延遲到期時所測量的所述電壓的值來確定光子能。
  20. 如申請專利範圍第16項之輻射檢測器，其中，所述控制器配置成將所述電極連接到電接地。
  21. 如申請專利範圍第16項之輻射檢測器，其中，所述電壓的變化率在所述時間延遲到期時為零。
  22. 如申請專利範圍第16項之輻射檢測器，其中，所述電壓的變化率在所述時間延遲到期時為非零。
  23. 如申請專利範圍第1項之輻射檢測器，其中，所述輻射檢測器包括APD陣列。
  24. 一種包括如申請專利範圍第1-23項中的任一項之輻射檢測器以及X射線源的系統，其中，所述系統配置成對人體胸腔或腹部執行X射線照相。
  25. 一種包括如申請專利範圍第1-23項中的任一項之輻射檢測器以及X射線源的系統，其中，所述系統配置成對人體口腔執行X射線照相。
  26. 一種貨物掃描或者非侵入式檢查(NII)系統，包括如申請專利範圍第1-23項中的任一項之輻射檢測器以及X射線源，其中所述貨物掃描或者非侵入式檢查(NII)系統配置成使用後向散射X射線來形成圖像。
  27. 一種貨物掃描或者非侵入式檢查(NII)系統，包括如申請專利範圍第1-23項中的任一項之輻射檢測器以及X射線源，其中所述貨物掃描或者非侵入式檢查(NII)系統配置成使用經過被檢查對象所透射的X射線來形成圖像。
  28. 一種全身掃描器系統，其包括如申請專利範圍第1-23項中的任一項之輻射檢測器以及輻射源。
  29. 一種電腦斷層掃描(CT)系統，其包括如申請專利範圍第1-23項中的任一項之輻射檢測器以及輻射源。
  30. 一種電子顯微鏡，其包括如申請專利範圍第1-23項中的任一項之輻射檢測器以及電子源和電子光學系統。
  31. 一種包括如申請專利範圍第1-23項中的任一項之輻射檢測器的系統，其中所述系統是X射線望遠鏡或X射線顯微鏡，或者其中所述系統配置成執行乳房X射線照相、工業缺陷檢測、顯微射線照相、鑄件檢查、焊接檢查或數字減影血管造影。
  32. 一種用於測量輻射之方法，其經組態以操作如申請專利範圍第1-23項中的任一項之輻射檢測器，該方法包括：確定在線性模式中工作的雪崩光電二極體(APD)的信號中的洩漏電流的份額；基於所述洩漏電流的所述份額、第一補償信號和第二補償信號來確定所述第一補償信號的時長與所述第二補償信號的時長的比率；以及 採用具有所述比率的相應時長的所述第一補償信號和所述第二補償信號來補償所述APD的所述信號的所述洩漏電流。
  33. 如申請專利範圍第32項之方法，其中，所述份額通過在所述APD沒有接收輻射的同時測量所述信號來確定。
  34. 如申請專利範圍第32項之方法，其中，所述第一補償信號和所述第二補償信號是電流。
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