TWI801612B

TWI801612B - 輻射檢測器

Info

Publication number: TWI801612B
Application number: TW108121502A
Authority: TW
Inventors: 曹培炎; 劉雨潤
Original assignee: 大陸商深圳幀觀德芯科技有限公司
Priority date: 2018-07-12
Filing date: 2019-06-20
Publication date: 2023-05-11
Also published as: CN112470038B; WO2020010592A1; EP3821278A1; EP3821278A4; US20220262830A1; US11784194B2; TW202006398A; CN112470038A; US11355532B2; EP3821278B1; US20210151480A1

Abstract

本發明公開一種檢測器，其具有在基底中的像素並被配置為檢測入射於其上的輻射粒子；所述基底中的第一保護環，其圍繞所述像素，並包括所述基底中的第一摻雜半導體區域以及與所述第一摻雜半導體區域電性連接的第一導電層；所述基底中的第二保護環，其圍繞所述第一保護環，並且包括所述基底中的第二摻雜半導體區域以及與所述第二摻雜半導體區域電性連接的第二導電層。所述第一導電層朝向所述第一保護環的內部懸突於所述第一摻雜半導體區域之上，其懸突程度比所述第二導電層朝向所述第二保護環的內部懸突於所述第二摻雜半導體區域之上的懸突程度大。

Description

輻射檢測器

本發明是有關於一種輻射檢測器，且特別是有關於一種包括多個保護環的檢測器。

輻射檢測器可以是用於測量輻射的通量、空間分佈、光譜或其它特性的器件。輻射檢測器可用於許多應用。一個重要的應用是成像。輻射成像是輻射照相技術，並能用於顯示非均勻組成以及不透明物體（例如人體）的內部結構。

早期用於成像的輻射檢測器包括攝影板和攝影膠片。攝影板可以是具有感光乳劑塗層的玻璃板。雖然攝影板被照相膠片代替，由於它們提供較好的品質和極好的穩定性，它們仍然可以在特殊情況下使用。攝影膠片可以是具有感光乳劑塗層的塑膠膜（例如，帶或片）。

在20世紀80年代，出現了光激發磷光板（PSP板）。PSP板可包含在它的晶格中具有顏色中心的磷光材料。在將PSP板暴露於輻射時，輻射激發的電子被困在顏色中心中直到它們受到在板表面上掃描的鐳射光束的激發。在鐳射掃描板時，被捕獲的激發電子發出光，其被光電倍增管收集。被收集的光轉換成數位圖像。與攝影板以及照相膠片相反，PSP板可重複使用。

另一種輻射檢測器是輻射圖像增強器。輻射圖像增強器的部件通常在真空中密封。與攝影板、攝影膠片和PSP板相反，輻射圖像增強器可以產生即時圖像，即，不需要曝光後處理來產生圖像。輻射首先撞擊輸入磷光體（例如，碘化銫）並被轉換為可見光。可見光然後撞擊光電陰極（例如含有銫和銻化合物的薄金屬層）並引起電子發射。發射電子的數量與入射輻射的強度成比例。發射的電子通過電子光學被投射到輸出磷光體上，並使所述輸出磷光體產生可見光圖像。

閃爍體的操作與輻射圖像增強器有些類似之處在於閃爍體（例如，碘化鈉）吸收輻射並且發射可見光，其然後可以被對可見光合適的圖像感測器檢測到。在閃爍體中，可見光在各個方向上傳播和散射並且從而降低空間解析度。使閃爍體厚度減少有助於提高空間解析度但也減少輻射吸收。閃爍體從而必須在吸收效率與解析度之間達成妥協。

半導體輻射檢測器通過將輻射直接轉換成電信號而在很大程度上克服該問題。半導體輻射檢測器可包括半導體層，其在感興趣波長吸收輻射。當在半導體層中吸收輻射粒子時，產生多個載流子（例如，電子和空穴）並且在電場下，這些載流子被掃向半導體層上的電觸點。

本發明提供一種檢測器，包括：像素，被配置為檢測入射在像素上的輻射粒子，像素被設置在基底中；第一保護環，位於基底中並圍繞像素，第一保護環包括基底中的第一摻雜半導體區域且與第一摻雜半導體區域電性連接的第一導電層；第二保護環，位於基底內並圍繞第一保護環，第二保護環包括基底中的第二摻雜半導體區域且與第二摻雜半導體區域電性連接的第二導電層；其中第一導電層朝向第一保護環的內部以第一程度懸突於第一摻雜半導體區域之上；其中第二導電層朝向第二保護環的內部以第二程度懸突於第二摻雜半導體區域之上；其中第二程度大於第一程度。

根據一實施例，上述的檢測器包括被佈置在陣列中的多個像素，並且多個像素被第一保護環圍繞。

根據一實施例，上述的像素包括基底中的摻雜半導體區域以及與摻雜半導體區域電性連接的電觸點，其中電觸點沿平行於基底的至少兩個相反方向懸突於摻雜半導體區域之上。

根據一實施例，上述的電觸點沿至少兩個相反方向以相同的程度懸突於摻雜半導體區域之上。

根據一實施例，上述的檢測器更包括：第三保護環，位於基底中並圍繞第二保護環，第三保護環包括位於基底中的第三摻雜半導體區域和與第三摻雜半導體區域電接觸的第三導電層；其中，第三導電層朝向第三保護環的內部以第三程度懸突於第三摻雜半導體區域之上；其中第三程度大於所述第二程度。

根據一實施例，上述的像素被配置為對入射於像素上的輻射粒子進行計數。

根據一實施例，和所述第一摻雜半導體區域相比，上述的第一導電層沿平行於基底並從第一保護環的內部延伸到第一保護環的外部的直線具有更大的寬度。

根據一實施例，上述的檢測器更包括電子系統；其中像素至少包括電觸點；其中電子系統包括：第一電壓比較器，被配置為將電觸點的電壓與第一閾值進行比較；第二電壓比較器，被配置為將電壓與第二閾值進行比較；計數器，被配置為記錄到達像素的輻射粒子的數目；控制器；其中控制器被配置為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刻開始時間延遲；其中，控制器被配置為在時間延遲期間啟動第二電壓比較器；其中，控制器被配置為：當第二電壓比較器確定電壓的絕對值等於或超過所述第二閾值的絕對值時，使計數器記錄的數位增加一。

根據一實施例，上述的電子系統還包括電性連接到電觸點的電容器模組，其中，電容器模組被配置為從電觸點收集電荷載流子。

根據一實施例，上述的控制器被配置為在時間延遲的開始或期滿時啟動第二電壓比較器。

根據一實施例，上述的電子系統還包括電壓表，其中，所述控制器被配置為在所述時間延遲期滿時使所述電壓表測量所述電壓。

根據一實施例，上述的控制器被配置成基於在所述時間延遲期滿時測量的電壓值來確定輻射粒子的能量。

根據一實施例，控制器被配置為將電觸點連接到電氣接地。

根據一實施例，在時間延遲終止時，上述的電壓的變化率實質上是零。

根據一實施例，在時間延遲終止時，上述的電壓的變化率實質上是非零。

圖1示意性地示出根據實施例的輻射檢測器100的部分的示例性俯視圖。輻射檢測器100包括被佈置在基底中的一個或多個像素150（例如，圖2A和圖2B中的輻射吸收層110）。像素150可以被安置成陣列，例如矩形陣列，蜂窩陣列，六邊形陣列或任何其他合適的陣列。像素150被配置為檢測入射在其上的輻射粒子。像素150能夠測量輻射粒子的能量。在示例中，像素150中的每個像素被配置成對在時間段內入射於其上的、能量落入多個箱中的輻射粒子進行計數；並且所有像素150可被配置為對在同一時間段內入射在其上的、在多個能量箱內的輻射粒子進行計數。每個像素150可以具有自己的類比數位轉換器（ADC），其被配置成將代表入射輻射粒子能量的類比信號數位化為數位信號。對於一些輻射檢測器應用，具有10位解析度或更高的類比數位轉換器是有用的。像素150中的每個像素可被配置成測量它的暗電流，例如，在每個輻射粒子入射其上之前或與之同時。像素150中的每個像素可被配置成從入射其上的輻射粒子的能量減去暗電流的貢獻。像素150可被配置成平行作業。例如，當一個像素150測量入射輻射粒子時，另一像素150可等待輻射粒子到達。像素150可不必單獨定址。

圖1還示意性地示出：根據實施例，像素150被多個保護環包圍（例如，第一保護環151、第二保護環152和第三保護環153）。保護環可以減小暗電流或可以延遲輻射檢測器100中的雪崩擊穿。保護環可以是連續環或具有沿環佈置的離散部分。保護環可以是任何合適的形狀，當然不局限於圓形或矩形的形狀。保護環可以被嵌套並圍繞像素150。例如，第一保護環151圍繞像素150；第二保護環152圍繞第一保護環151；並且第三保護環153，如果存在的話，圍繞第二保護環152。在圖1的例子中，輻射檢測器100可以具有兩個，三個或更多圍繞像素150的保護環。

圖2A示意性地示出：根據實施例，輻射檢測器100的橫截面視圖。輻射檢測器100可包括輻射吸收層110和用於處理或分析入射輻射在輻射吸收層110中產生的電信號的電子層120（例如，ASIC）。輻射吸收層110可以包括半導體材料，例如矽、鍺、GaAs、CdTe、CdZnTe或它們的組合。所述半導體對感興趣的輻射能量可具有高的品質衰減係數。

如圖2B中的輻射檢測器100的詳細橫截面圖所示，根據實施例，輻射吸收層110可以包括一個或多個二極體（例如，p-i-n）（由第一摻雜區111，第二摻雜區113的一個或多個離散區域114形成）。第二摻雜區113和第一摻雜區111可被可選的本徵區112隔開。離散部分114相互之間被第一摻雜區111或本徵區112隔開。第一摻雜區111和第二摻雜區113具有相反類型的摻雜（例如，區域111為p型並且區域113為n型，或者，區域111為n型並且區域113為p型）。在圖2B的例子中，第二摻雜區113的離散區域114的每一個與第一摻雜區111以及可選本徵區112形成二極體。即，在圖2B的例子中，輻射吸收層110具有多個二極體，其具有第一摻雜區域111以及電觸點119A（作為共用電極）。第一摻雜區域111和電觸點119A也可具有離散部分。在實施例中，所述保護環位於所述輻射吸收層110中，並且可以位於所述輻射檢測器100的週邊附近。第一保護環151可以是所有保護環中最接近像素150的一個。第一保護環151可以在所述輻射吸收層110中具有摻雜的半導體區域115C。所述摻雜半導體區域115C可以是所述第二摻雜區113的部分。所述第一保護環151可具有與摻雜半導體區115C電性連接的導電層119C。第二保護環152可以具有在輻射吸收層110中的摻雜半導體區域115D。摻雜半導體區域115D可以是第二摻雜區域113的部分。第二保護環152可具有與摻雜半導體區域115D電性連接的導電層119D。輻射吸收層110可具有圍繞第二保護環152的附加的保護環。例如，輻射吸收層110可具有第三保護環153。第三保護環153，如果存在，可以具有在輻射吸收層110中的摻雜半導體區域115E。所述摻雜半導體區115E可以是第二摻雜區113的部分。第三保護環153可具有與摻雜半導體區115E電性連接的導電層119E。電觸點，例如，119A、119B，和導電層，例如，119C、119D，119E可包括導電材料，例如Al、 AlSi、Al/Ti/Ni/Ag、Ti/Ni/Ag， Ti/Au或其組合。

當輻射粒子撞擊輻射吸收層110時，輻射粒子可以通過多個機制被吸收並產生一個或多個電荷載流子。一個輻射粒子可以產生10至100000個電荷載流子。電荷載流子可以在電場下漂移到二極體中的一個二極體的電極。該場可以是外部電場。電觸點119B可包括離散部分，其每一個與離散區114電性連接。

電子層120可以包括電子系統121，其適於處理或解釋由入射到輻射吸收層110上的輻射粒子產生的信號。電子系統121可以包括類比電路，例如濾波網路、放大器、積分器以及比較器，或數位電路例如微處理器以及記憶體。電子系統121可以包括由像素共用的部件或專用於單個像素的部件。例如，電子系統121可以包括專用於每個像素的放大器和在所有像素之間共用的微處理器。所述電子系統121可以通過通孔131與像素電連接。所述通孔中的空間可以被填充材料130填充，這可增加電子層120與輻射吸收層110的連接的機械穩定性。其它技術將電子系統121連接到像素（不使用通孔）是可能的。

根據實施例，電子層120可包括電子系統122，其連接到保護環，適於處理或解釋由暗電流引起的信號。電子系統122可以通過通孔131與保護環電連接。其它技術（不使用通孔）將電子系統122連接到保護環是可能的。

圖3A示意性地示出根據實施例的輻射吸收層110中的一個像素150的詳細截面圖。像素150包括摻雜半導體區域（例如，離散區域114），以及與摻雜半導體區域電性連接的電觸點119B。如圖3A所示，電觸點119B沿平行於輻射吸收層110的方向上的寬度W_t 大於所述摻雜半導體區域（例如離散區域114）沿相同方向的的寬度W_D 。電觸點119B沿平行於輻射吸收層110的至少兩個相反方向以O₁ 和O₂ 懸突於摻雜半導體區域（例如，離散區域114）之上。O₁ 和O₂ 可以相同或不同。

圖3B示意性地示出：根據實施例，包括像素150中的一個像素和多個保護環的輻射吸收層110的部分的詳細橫截面視圖。第一保護環151在所有保護環中最接近於像素150。像素150位於所述第一保護環151的內部。所述第一保護環151的內部為所述第一保護環151圍繞的區域。其它保護環位於所述第一保護環151的外部。所述第一保護環151的外部為不被第一保護環151包圍的區域。其它保護環可以包括第二保護環152（其包括導電層119D和摻雜半導體區域115D），以及可選地第三保護環153（其包括導電層119E和摻雜半導體區域115E），第四保護環（其包括導電層119F和摻雜半導體區115F），第五保護環（其包括導電層119G和摻雜半導體區域115G）等。導電層119C沿著與輻射吸收層110平行並且從所述第一保護環151的內部延伸到第一保護環151外部的直線的寬度W_gt1 可以大於所述摻雜半導體區域115C沿所述直線的寬度W_gd1 。導電層119C朝向第一保護環151的內部以O_g1 的程度懸突於摻雜半導體區域115C之上。

導電層119D沿著平行於輻射吸收層110並從第二保護環152的內部延申到第二保護環152的外部的直線的寬度W_gt2 可以大於摻雜半導體區域115D沿著所述直線的寬度W_gd2 。導電層119D朝向第二保護環152的內部以O_g2 的程度懸突於摻雜半導體區域115D上。根據實施例，O_g2 的幅度大於O_g1 的幅度。

在圖3B的例子中，所述第三保護環153圍繞所述第二保護環152；所述第四保護環圍繞所述第三保護環153；所述第五保護環圍繞所述第四保護環。每個保護環的導電層朝向該保護環的內部懸突於那個保護環的摻雜半導體區域（以大於緊接地在其內部的另一保護環的程度）。即，O_g2 小於第三保護環153的懸突程度O_g3 ；O_g3 小於第四保護環的懸突程度O_g3 ；O_g4 小於第五保護環的懸突程度O_g5 。在例子中，懸突的程度與保護環平行於輻射吸收層110的尺寸成比例。

圖4示意性地示出根據實施例的輻射檢測器100的電子系統121的部件圖。電子系統121可包括第一電壓比較器301、第二電壓比較器302、計數器320、開關305、類比數位轉換器 306以及控制器310。

第一電壓比較器301被配置成將電觸點119B的電壓與第一閾值比較。第一電壓比較器301可被配置成直接監測電壓，或通過對一段時間內流過二極體的電流整合來計算電壓。第一電壓比較器301可由控制器310可控地啟動或停用。第一電壓比較器301可以是連續比較器。即，第一電壓比較器301可被配置成被連續啟動，並且連續監測電壓。配置為連續比較器的第一電壓比較器301使電子系統121錯過由入射輻射粒子產生的信號的機會減少。配置為連續比較器的第一電壓比較器301在入射輻射強度相對高時尤其適合。第一電壓比較器301可以是時鐘比較器，其具有較低功耗的益處。配置為時鐘比較器的第一電壓比較器301可導致系統121錯過由一些入射輻射粒子產生的信號。在入射輻射強度低時，錯過入射輻射粒子的機會因為兩個連續粒子之間的時間間隔相對長而低。因此，配置為時鐘比較器的第一電壓比較器301在入射輻射強度相對低時尤其適合。第一閾值可以是一個入射輻射粒子可在電觸點119B上產生的最大電壓的1-5%、5-10%、10%-20%、20-30%、30-40%或40-50%。最大電壓可取決於入射輻射粒子的能量（即，入射輻射的波長），輻射吸收層110的材料和其它因素。例如，第一閾值可以是50mV、100mV、150mV或200mV。

第二電壓比較器302配置成將電壓與第二閾值比較。第二電壓比較器302可配置成直接監測電壓，或通過對一段時間內流過二極體的電流整合來計算電壓。第二電壓比較器302可以是連續比較器。第二電壓比較器302可由控制器310可控地啟動或停用。在停用第二電壓比較器302時，第二電壓比較器302的功耗可以是啟動第二電壓比較器302時的功耗的不到1%、不到5%、不到10%或不到20%。第二閾值的絕對值大於第一閾值的絕對值。如本發明使用的，術語實數

的“絕對值”或“模數”

是

的非負值而不考慮它的符號。即，

。第二閾值可以是第一閾值的200%-300%。例如，第二閾值可以是100mV、150mV、200mV、250mV或300mV。第二電壓比較器302和第一電壓比較器310可以是相同部件。即，系統121可具有一個電壓比較器，其可以在不同時間將電壓與兩個不同閾值比較。

第一電壓比較器301或第二電壓比較器302可包括一個或多個運算放大器或任何其它適合的電路。第一電壓比較器301或第二電壓比較器302可具有高的速度以允許電子系統121在高的入射輻射通量下操作。然而，具有高的速度通常以功耗為代價。

計數器320可以是軟體部件（例如，存儲於電腦記憶體的數）或硬體部件（例如，4017 IC和7490 IC）。計數器320被配置成記錄到達二極體的輻射粒子的數目。當類比數位轉換器 306確定輻射粒子的能量在與計數器320相關聯的箱內時，計數器320記錄的數增加一。

控制器310可以是例如微控制器和微處理器等硬體部件。控制器310配置成從第一電壓比較器301確定電壓的絕對值等於或超出第一閾值的絕對值（例如，電壓的絕對值從第一閾值的絕對閾值以下增加到等於或超過第一閾值的絕對值的值）的時刻啟動時間延遲。在這裡因為電壓可以是負的或正的而使用絕對值，這取決於是使用二極體的陰極或陽極的電壓。控制器310可配置成在第一電壓比較器301確定電壓的絕對值等於或超出第一閾值的絕對值的時刻之前，保持停用第二電壓比較器302、計數器320和第一電壓比較器301的操作不需要的任何其它電路。時間延遲可在電壓變穩定（即，電壓的變化率實質上為零）之後終止。短語“變化率實質上為零”意指時間變化小於0.1%/ns。短語“變化率實質上為非零”意指電壓的時間變化是至少0.1%/ns。

控制器310可配置成在時間延遲期間（其包括開始和終止）啟動第二電壓比較器。在實施例中，控制器310配置成在時間延遲開始時啟動第二電壓比較器。術語“啟動”意指促使部件進入操作狀態（例如，通過發送例如電壓脈衝或邏輯電平等信號、通過提供電力等）。術語“停用”意指促使部件進入非操作狀態（例如，通過發送例如電壓脈衝或邏輯電平等信號、通過切斷電力等）。操作狀態可具有比非操作狀態更高的功耗（例如，高10倍、高100倍、高1000倍）。控制器310本身可被停用直到第一電壓比較器301的輸出在電壓的絕對值等於或超出第一閾值的絕對值時啟動控制器310。

控制器310可被配置為：如果在所述時間延遲期間第二電壓比較器302確定電壓的絕對值等於或超出第二閾值的絕對值，並且輻射粒子的能量落入與計數器320相關聯的箱內，控制器310促使計數器320記錄的數目增加一。

控制器310可被配置為：在所述時間延遲終止時促使類比數位轉換器 306將電壓數位化並且基於電壓確定輻射粒子的能量落在哪個箱中。

控制器310可配置成使電觸點119B連接到電氣接地，以使電壓重定並且使電觸點119B上累積的任何載流子放電。在實施例中，電觸點119B在所述時間延遲終止後連接到電氣接地。在實施例中，電觸點119B在有限復位時期連接到電氣接地。控制器310可通過控制開關305而使電觸點119B連接到電氣接地。開關可以是電晶體，例如場效應電晶體（FET）。

在實施例中，系統121沒有類比濾波器網路（例如，RC網路）。在實施例中，系統121沒有類比電路。

類比數位轉換器 306可將它測量的電壓作為類比或數位信號饋送給控制器310。類比數位轉換器可以是循續漸近式類比數位轉換器（successive‐approximation‐register；SAR）類比數位轉換器（也叫作successive approximation ADC）。循續漸近式類比數位轉換器在最終彙聚於類比信號的數位輸出之前經由通過所有可能量化等級的二進位元搜索來使類比信號數位化。逐次逼近型寄存器類比數位轉換器（SAR ADC）可具有四個主要子電路：採樣和保持電路，用於獲取輸入電壓（V_in ）；內部數位類比轉換器（DAC），其配置成對類比電壓比較器供應等於逐次逼近型寄存器（SAR）的數位代碼輸出的類比電壓，所述類比電壓比較器將輸入電壓（V_in ）與內部數位類比轉換器（DAC）的輸出比較並且向逐次逼近型寄存器（SAR）輸出比較結果，逐次逼近型寄存器（SAR）被配置成向內部數位類比轉換器（DAC）供應輸入電壓（V_in ）的逼近數字代碼。逐次逼近型寄存器（SAR）可被初始化使得最高有效位元（MSB）等於數字1。該代碼被饋送到內部數位類比轉換器（DAC）內，其然後將該數位代碼的類比等效物（V_ref /2）供應到比較器內用於與輸入電壓（V_in ）比較。如果該類比電壓超出輸入電壓（V_in ），比較器促使逐次逼近型寄存器（SAR）將該位重定；否則，所述位被保留為1。然後逐次逼近型寄存器（SAR）的下一個位被設置為1並且進行相同測試，繼續該二進位搜索直到逐次逼近型寄存器（SAR）中的每個位已被測試。所得的代碼是輸入電壓（V_in ）的數位逼近並且最後在數位化結束時由逐次逼近型寄存器（SAR）輸出。

系統121可包括電容器模組309，其電連接到電觸點119B，其中電容器模組配置成從電觸點119B收集載流子。電容器模組能包括放大器的回饋路徑中的電容器。如此配置的放大器叫作電容式轉阻放大器（CTIA）。電容式轉阻放大器通過防止放大器飽和而具有高的動態範圍並且通過限制信號路徑中的頻寬來提高信噪比。來自電觸點的載流子在一段時間（“整合期”）（例如，如在圖5中示出的，在t_s 至t₀ 之間）內在電容器上累積。在整合期終止後，由類比數位轉換器 306對電容器電壓採樣並且然後由重定開關將其重定。電容器模組309能包括直接連接到電觸點119B的電容器。

圖5示意示出：根據實施例，由與電觸點119B關聯的像素150上入射的輻射粒子產生的載流子引起的流過電觸點119B的電流的時間變化（上曲線）和電觸點119B的電壓的對應的時間變化（下曲線）。電壓可以是電流關於時間的整合。在時間 t0，輻射粒子撞擊二極體或電阻器，載流子開始在像素150中產生，電流開始流過電觸點119B，並且電觸點119B的電壓的絕對值開始增加。在時間t₁ ，第一電壓比較器301確定電壓的絕對值等於或超出第一閾值V1的絕對值，並且控制器310啟動時間延遲TD1並且控制器310可在TD1開始時停用第一電壓比較器301。如果控制器310在 t₁ 之前被停用，在 t₁ 啟動控制器310。在TD1期間，控制器310啟動第二電壓比較器302。如這裡使用的術語在時間延遲“期間”意指開始和終止（即，結束）和中間的任何時間。例如，控制器310可在TD1終止時啟動第二電壓比較器302。如果在TD1期間，第二電壓比較器302確定在時間t2電壓的絕對值等於或超出第二閾值的絕對值，控制器310等待電壓穩定來穩定。當輻射粒子產生的所有載流子漂移出輻射吸收層110，電壓在時間t_e 穩定。在時間t_s ，時間延遲TD1終止。在時間t_e 或時間t_e 之後，控制器310促使ADC 306使電壓數位化並且確定輻射粒子的能量落在哪個箱中。控制器310然後促使對應於所述箱的計數器320記錄的數增加一。在圖5的例子中，時間t_s 在時間t_e 之後；即TD1在輻射粒子產生的所有載流子漂移出輻射吸收層110之後終止。如果不易測量時間t_e ，可以根據經驗選擇TD1以允許有足夠時間收集輻射粒子產生的實質上的所有載流子但並未太長而冒著具有另一個入射輻射粒子的風險。即，可根據經驗選擇TD1使得時間ts根據經驗在時間t_e 後。時間t_s 不是必須在時間t_e 後，因為一旦達到V2控制器310可忽視TD1並且等待時間t_e 。電壓與暗電流對電壓的貢獻之間的差異的變化率從而在t_s 實質上為零。控制器310可配置成在TD1終止時或在_t2 或中間的任何時間停用第二電壓比較器302。

在時間t_e 電壓與輻射粒子產生的載流子的數量成比例，其與輻射粒子的能量有關。控制器310可配置成基於類比數位轉換器 306的輸出確定輻射粒子的能量所落入的箱。

在TD1終止或被類比數位轉換器 306數位化後，以較後者為准，控制器310在復位期RST使電觸點119B連接到電氣接地以允許電觸點119B上累積的載流子流到地面並且使電壓重定。在RST之後，系統121準備檢測另一個入射輻射粒子。系統121在圖6的示例中可以應對的入射輻射粒子的速率隱式地受限於1/(TD1+RST)。如果第一電壓比較器301被停用，控制器310可以在RST終止之前的任何時間啟動它。如果控制器310被停用，可在RST終止之前啟動它。

因為檢測器100具有可平行作業的許多像素150，檢測器可以應對速率高得多的入射輻射粒子。這是因為特定像素150上的入射率是整個陣列像素上的入射率的1/N，其中N是像素數目。

圖6示意性地示出了包括本發明所述的輻射檢測器100的系統。該系統可用於醫學成像，例如胸部輻射照相，腹部輻射照相，牙科輻射照相等。所述系統包括輻射源701。從輻射源701發射的輻射穿透物體702（例如，人體部位如胸部，肢體，腹部，嘴巴），被物體702的內部結構（例如，骨骼，肌肉，脂肪，器官以及牙齒等）不同程度衰減，並且被投射到輻射檢測器100。輻射檢測器100通過檢測輻射的強度分佈而形成圖像。

圖7示意性示意性地示出包括本發明所述的輻射檢測器100的元素分析儀。元素分析儀能夠檢測在諸如玩具的物體上的一個或多個感興趣的元素的存在。高能量的帶電粒子束（諸如電子或質子，或輻射束）被引導到物體上。物體的原子被激發並在特定波長處發射輻射（其是元素的特徵）。輻射檢測器100接收所述被發射的輻射並基於所述被發射的輻射的能量確定所述元素的存在。例如，輻射檢測器100可被配置為檢測位於鉛發射的波段的輻射。如果輻射檢測器100從物體上確實接收到在這些波段的輻射，就能知道鉛存在。本發明描述的輻射檢測器100可具有其它應用，比如在輻射望遠鏡，輻射乳房攝影，工業輻射缺陷檢測，輻射顯微或微成像，輻射鑄造檢查，輻射無損檢測，輻射焊接檢查，輻射數位減影血管造影等中。使用該輻射檢測器100適合於代替攝影板，攝影膠片，PSP板，輻射圖像增強器，閃爍體或另一個輻射檢測器。

圖8示意性地示出包括本發明所述的輻射檢測器100的貨物掃描或非侵入性檢查（NII）系統。該系統可用於檢查和識別例如集裝箱，車輛，船舶，行李等運輸系統中的貨物。該系統包括輻射源9011。從輻射源9011發射的輻射可以從物體9012（例如，集裝箱，車輛，船舶等）背散射並被投射到輻射檢測器100。物體9012的不同內部結構可以不同地背散射所述輻射。輻射檢測器100通過檢測背散射輻射的強度分佈和/或背散射輻射粒子的能量來形成圖像。

圖9示意性地示出包括本發明所述的輻射檢測器100的另一貨物掃描或非侵入性檢查（NII）系統。該系統可用於公共運輸站和機場的行李篩選。該系統包括輻射源1001。從輻射源1001發射的輻射可穿透行李1002，被行李的內容不同地衰減，並被投射到輻射檢測器100。所述輻射檢測器100通過檢測透射輻射的強度分佈而形成圖像。該系統可以揭示行李的內容，並識別在公共交通上禁止的物品，例如槍支、毒品、鋒利武器、易燃物。

圖10示意性地示出包括本發明所述的輻射檢測器100的全身掃描系統。全身掃描系統可以為了安全篩選目的檢測人身體上的物體，不需要物理地移去衣物或進行物理接觸。全身掃描系統能檢測非金屬物體。全身掃描器系統包括輻射源1101。從輻射源1101發射的輻射可從被篩選的人1102和其身上的物體背散射，並被投射到輻射檢測器100。所述物體和所述人體可以不同地背散射輻射。輻射檢測器100通過檢測背散射輻射的強度分佈來形成圖像。輻射檢測器100和輻射源1101可被配置為沿直線或旋轉方向掃描人。

圖11示意性地示出包括本發明所述的輻射檢測器100的輻射電腦斷層掃描（輻射CT）系統。輻射CT系統使用電腦處理的輻射來產生被掃描物件的特定區域的斷層圖像（虛擬“切片”）。斷層圖像可用於各種醫學學科中的診斷和治療目的，或用於探傷，故障分析，計量，組裝分析和反向工程。輻射CT系統包括在此描述的輻射檢測器100和輻射源1201。輻射檢測器100和輻射源1201可被配置成沿一個或多個圓形或螺旋路徑同步旋轉。

圖12示意性地示出包括本發明所述的輻射檢測器100的電子顯微鏡。電子顯微鏡包括被配置為發射電子的電子源1301（也稱為電子槍）。電子源1301可具有各種發射機制，例如熱離子，光電陰極，冷發射或等離子體源。被發射的電子通過電子光學系統1303，其可被配置為影響、加速或聚焦電子。然後電子到達樣品1302，並且圖像檢測器可從那裡形成圖像。電子顯微鏡可以包括本發明所述的輻射檢測器100，用於進行能量色散輻射分光鏡檢查（EDS）。能量色散輻射分光鏡檢查是用於樣品的元素分析或化學表徵的分析技術。當電子入射到樣品上時，可從樣品發射特徵輻射。入射電子可以激發樣品中的原子的內殼中的電子，從所述殼中將其排出，同時在所述電子原先的位置形成電子空穴。來自外部的高能殼層的電子填充所述空穴，較高能量殼層與較低能量殼層之間的能量差可以按輻射的形式釋放。通過輻射檢測器100可以測量從樣品發射的輻射的數量和能量。

儘管本發明公開各種方面和實施例，其它方面和實施例對於本領域技術人員將變得明顯。本發明公開的各種方面和實施例是為了說明的目的而不意在為限制性的，其真正範圍和精神由下述申請專利範圍所指示。

100‧‧‧輻射檢測器 110‧‧‧輻射吸收層 111‧‧‧第一摻雜區 112‧‧‧本徵區 113‧‧‧第二摻雜區 114‧‧‧離散區域 115C、115D、115E、115F、115G‧‧‧摻雜半導體區域 119A、119B‧‧‧電觸點 119C、119D、119E、119F、119G‧‧‧導電層 120‧‧‧電子層 121、122‧‧‧電子系統 130‧‧‧填充材料 131‧‧‧通孔 150‧‧‧像素 151‧‧‧第一保護環 152‧‧‧第二保護環 153‧‧‧第三保護環 301‧‧‧第一電壓比較器 302‧‧‧第二電壓比較器 305‧‧‧開關 306‧‧‧類比數位轉換器 309‧‧‧電容器模組 310‧‧‧控制器 320‧‧‧計數器 701、9011、1001、1101、1201、1301‧‧‧輻射源 702、9012‧‧‧物體 1002‧‧‧行李 1102‧‧‧人 1302‧‧‧樣品 1303‧‧‧電子光學系統 I‧‧‧電流 O₁、O₂、O_g1、O_g2、O_g3、O_g4、O_g5‧‧‧程度 RST‧‧‧復位期 ref‧‧‧等效 t、t_O、t_e、t₁、t₂、t_s、t_m、tr‧‧‧時間 TD1‧‧‧時間延遲 V、V1、V2‧‧‧電壓 W_t、W_D、W_gd1、W_gd2、W_gt1、W_gt2‧‧‧寬度

圖1示意性地示出輻射檢測器的部分的示例性俯視圖。圖2A示意性地示出根據實施例的輻射檢測器的部分的截面圖。圖2B示意性地示出根據實施例的輻射檢測器的部分的詳細截面圖。圖3A示意性地示出根據實施例的輻射檢測器的一個像素的詳細截面圖。圖3B示意性地示出根據實施例的輻射檢測器的一個像素和多個保護環的詳細橫截面視圖。圖4示意性地示出根據實施例的輻射檢測器的電子系統的部件圖。圖5示意性地示出：根據實施例，流過暴露於輻射的輻射吸收層的二極體的電觸點的電流的時間變化（上曲線），由入射在輻射吸收層上的輻射粒子產生的電荷載流子引起的電流，以及所述電觸點的電壓的相應時間變化（下曲線）。圖6至圖12各自示意性地示出包括本發明所述的輻射檢測器的系統。

100‧‧‧輻射檢測器

150‧‧‧像素

151‧‧‧第一保護環

152‧‧‧第二保護環

153‧‧‧第三保護環

Claims

一種檢測器，包括：像素，被配置成檢測入射於所述像素上的輻射粒子，所述像素被設置在基底中；第一保護環，在所述基底中並圍繞所述像素，所述第一保護環包括所述基底中的第一摻雜半導體區域且與所述第一摻雜半導體區域電性連接的第一導電層；以及第二保護環，在所述基底中並圍繞所述第一保護環，所述第二保護環包括所述基底中的第二摻雜半導體區域且與所述第二摻雜半導體區域電性連接的第二導電層，其中所述第一導電層朝向所述第一保護環的內部以第一程度懸突於所述第一摻雜半導體區域之上，其中所述第二導電層朝向所述第二保護環的內部以第二程度懸突於所述第二摻雜半導體區域之上，其中所述第二程度大於所述第一程度。
如申請專利範圍第1項所述的檢測器，其中所述檢測器包括被佈置在陣列中的多個像素，且所述多個像素被所述第一保護環圍繞。
如申請專利範圍第1項所述的檢測器，其中所述像素包括所述基底中的摻雜半導體區域以及與所述摻雜半導體區域電性連接的電觸點，其中所述電觸點沿著平行於所述基底的至少兩個相反方向懸突於所述摻雜半導體區域之上。
如申請專利範圍第3項所述的檢測器，其中所述電觸點沿著所述至少兩個相反方向上以相同程度懸突於所述摻雜半導體區域之上。
如申請專利範圍第1項所述的檢測器，更包括：第三保護環，在所述基底中並圍繞所述第二保護環，所述第三保護環包括所述基底中的第三摻雜半導體區域且與所述第三摻雜半導體區域電性連接的第三導電層，其中所述第三導電層朝向所述第三保護環的內部以第三程度懸突於所述第三摻雜半導體區域之上，其中所述第三程度大於所述第二程度。
如申請專利範圍第1項所述的檢測器，其中所述像素被配置為對入射於所述像素上的所述輻射粒子進行計數。
如申請專利範圍第1項所述的檢測器，其中所述第一導電層沿平行於所述基底，且和所述第一摻雜半導體區域相比，從所述第一保護環的內部延伸到所述第一保護環的外部的直線具有較大的寬度。
如申請專利範圍第1項所述的檢測器，更包括電子系統，其中所述像素至少包括電觸點，其中所述電子系統包括：第一電壓比較器，被配置為將所述電觸點的電壓與第一閾值進行比較；第二電壓比較器，被配置為將所述電壓與第二閾值進行比較；計數器，被配置為記錄到達所述像素的所述輻射粒子的數目；以及控制器，其中所述控制器被配置為從所述第一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刻開始時間延遲，其中所述控制器被配置為在所述時間延遲期間啟動所述第二電壓比較器，其中所述控制器被配置為當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，使所述計數器記錄的數增加一。
如申請專利範圍第8項所述的檢測器，其中所述電子系統更包括電性連接到所述電觸點的電容器模組，其中所述電容模組被配置為從所述電觸點收集電荷載流子。
如申請專利範圍第8項所述的檢測器，其中所述控制器被配置為在所述時間延遲的開始或期滿啟動所述第二電壓比較器。
如申請專利範圍第8項所述的檢測器，其中所述電子系統還包括電壓表，其中所述控制器被配置為在所述時間延遲期滿時使所述電壓表測量所述電壓。
如申請專利範圍第8項所述的檢測器，其中所述控制器被配置為基於所述時間延遲期滿時所測量的電壓的值來確定所述輻射粒子的能量。
如申請專利範圍第8項所述的檢測器，其中所述控制器被配置為將所述電觸點連接到電氣接地。
如申請專利範圍第8項所述的檢測器，其中所述電壓的變化率在所述時間延遲期滿時實質上為零。
如申請專利範圍第8項所述的檢測器，其中所述電壓的變化率在所述時間延遲期滿時實質上為非零。