TWI813621B - 恢復輻射檢測器的方法 - Google Patents
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Abstract
本文所公開的是一種恢復輻射檢測器的性能的方法，輻射檢測器包括：輻射吸收層，配置成吸收入射到其上的輻射微粒，並且基於輻射微粒來生成電信號；電子系統，配置成處理電信號，電子系統包括電晶體，電晶體包括柵絕緣體，其中因柵絕緣體對輻射的暴露而累積正載荷子；該方法包括通過建立跨柵絕緣體的電場從柵絕緣體中去除正載荷子。
Description
本文的本公開涉及恢復輻射檢測器的方法，具體來說涉及從輻射損壞來恢復輻射檢測器的方法。
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。
本文所公開的是一種恢復輻射檢測器的性能的方法，輻射檢測器包括：輻射吸收層，配置成吸收入射到其上的輻射微粒，並且基於輻射微粒來生成電信號；電子系統，配置成處理電信號，電子系統包括電晶體，電晶體包括柵絕緣體，其中因柵絕緣體對輻射的暴露而累積正載荷子；該方法包括通過建立跨柵絕緣體的電場從柵絕緣體中去除正載荷子。
按照實施例，去除正載荷子包括對柵絕緣體進行退火。
按照實施例，該方法還包括：接收代碼；確定代碼是否有效；其中正載荷子僅當代碼有效時才從柵絕緣體中去除。
按照實施例，電晶體包括柵電極，其中建立電場包括在柵電極上施加偏置電壓。
按照實施例，在柵電極上施加偏置電壓包括將柵電極連接到電壓源。
按照實施例，在柵電極上施加偏置電壓包括通過限制器來限制偏置電壓。
按照實施例，電晶體包括源極和漏極，其中柵電極上的偏置電壓針對源極或漏極。
按照實施例，源極和漏極處於相同電位。
按照實施例，偏置電壓具有低於柵絕緣體的擊穿電壓的幅值。
按照實施例，偏置電壓具有大於柵絕緣體的擊穿電壓的90%的幅值。
按照實施例，電晶體是MOSFET。
按照實施例，電子系統包括：電壓比較器，配置成將輻射吸收層的電氣觸點的電壓與第一閾值進行比較；計數器，配置成記錄輻射吸收層所吸收的輻射微粒的數量；控制器；伏特計；其中，控制器配置成從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；控制器配置成在時間延遲到期時使伏特計測量電壓；控制器配置成通過將伏特計所測量的電壓除以單個輻射微粒對輻射吸收層的電氣觸點所引起的電壓來確定輻射微粒的數量；控制器配置成使計數器所記錄的數量增加輻射微粒的數量。
按照實施例，控制器包括電晶體。
按照實施例，電壓比較器包括電晶體。
按照實施例，輻射檢測器還包括電容器，其電連接到輻射吸收層的電氣觸點，其中電容器配置成收集來自輻射吸收層的電氣觸點的載荷子。
按照實施例，控制器配置成在時間延遲開始時停用電壓比較器。
按照實施例，第一閾值為單個光子對輻射吸收層的電氣觸點所生成的電壓的5-10%。
本文所公開的是一種輻射檢測器，其包括：輻射吸收層，配置成吸收入射到其上的輻射微粒，並且基於輻射微粒來生成電信號；電子系統，配置成處理電信號，電子系統包括電晶體，電晶體包括柵絕緣體，其中因柵絕緣體對輻射的暴露而累積正載荷子；以及處理器，配置成通過建立跨柵絕緣體的電場從柵絕緣體中去除正載荷子。
按照實施例，處理器配置成通過對柵絕緣體進行退火從柵絕緣體中去除正載荷子。
按照實施例，處理器配置成接收代碼，確定代碼是否有效，並且僅當代碼有效時從柵絕緣體中去除正載荷子。
按照實施例，電晶體包括柵電極，其中處理器配置成通過在柵電極上施加偏置電壓以建立電場從柵絕緣體中去除正載荷子。
按照實施例，處理器配置成施加具有大於柵絕緣體的擊穿電壓的90%的幅值的偏置電壓。
按照實施例，輻射檢測器還包括加熱元件，其配置成加熱柵絕緣體。
按照實施例，電子系統包括：電壓比較器，配置成將輻射吸收層的電氣觸點的電壓與第一閾值進行比較；計數器，配置成記錄輻射吸收層所吸收的輻射微粒的數量；控制器；伏特計；其中，控制器配置成從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；控制器配置成在時間延遲到期時使伏特計測量電壓；控制器配置成通過將伏特計所測量的電壓除
以單個輻射微粒對電氣觸點所引起的電壓來確定輻射微粒的數量；控制器配置成使計數器所記錄的數量增加輻射微粒的數量。
按照實施例，控制器包括電晶體。
按照實施例，電壓比較器包括電晶體。
按照實施例，輻射檢測器還包括電容器，其電連接到輻射吸收層的電氣觸點，其中電容器配置成收集來自輻射吸收層的電氣觸點的載荷子。
按照實施例，控制器配置成在時間延遲開始時停用電壓比較器。
按照實施例，第一閾值為單個光子對輻射吸收層的電氣觸點所生成的電壓的5-10%。
10‧‧‧電子
20‧‧‧空穴
30‧‧‧空穴陷阱
100‧‧‧輻射檢測器
110‧‧‧輻射吸收層
111‧‧‧第一摻雜區
112‧‧‧本征區
113‧‧‧第二摻雜區
114‧‧‧分立區
119A‧‧‧電氣觸點
119B‧‧‧電氣觸點
120‧‧‧電子層
121‧‧‧電子系統
130‧‧‧填充材料
131‧‧‧通孔
210‧‧‧MOSFET
212‧‧‧半導體襯底
213‧‧‧擴散阱
214‧‧‧源極
215‧‧‧源電極
216‧‧‧漏極
217‧‧‧漏電極
218‧‧‧柵絕緣體
222‧‧‧柵電極
224A‧‧‧源極端子
224B‧‧‧漏極端子
224C‧‧‧柵極端子
224D‧‧‧體端子
225‧‧‧溝道區
226‧‧‧導電溝道
301‧‧‧電壓比較器
305‧‧‧計數器
306‧‧‧伏特計
309‧‧‧電容器模組
310‧‧‧控制器
318‧‧‧柵絕緣體
320‧‧‧計數器
402‧‧‧電壓源
403‧‧‧處理器
404‧‧‧開關
406‧‧‧限制器
409‧‧‧電壓源
410‧‧‧加熱元件
t0、t1、ts‧‧‧時間
TD1‧‧‧時間延遲
V1‧‧‧第一閾值
Vt‧‧‧電壓
RST‧‧‧複位週期
圖1示意示出按照實施例的輻射檢測器的截面圖。
圖2A和圖2B各示意示出MOSFET。
圖3A示意示出MOSFET的柵絕緣體中的空穴累積的過程。
圖3B和圖3C各示意示出按照實施例、從因空穴累積引起的性能損失來恢復MOSFET。
圖4A和圖4B示意示出按照實施例、恢復輻射檢測器100的性能。
圖5A和圖5B各示意示出按照實施例的開關404的原理框圖。
圖6A示意示出按照實施例的輻射檢測器的詳細截面圖。
圖6B示意示出按照實施例的輻射檢測器的備選詳細截面圖。
圖7A和圖7B各示出按照實施例的電子系統的組件圖。
圖8示意示出按照實施例、通過入射到二極體或電阻器上的一個或多個光子所生成的載荷子所引起的電極或電氣觸點的電壓的時間變化。
圖1示意示出按照實施例的輻射檢測器100的截面圖。輻射檢測器100可包括輻射吸收層110和電子層120(例如ASIC)，以用於處理或分析入射輻射在輻射吸收層110中生成的電信號。輻射檢測器100可以或者可以不包括閃爍器。輻射吸收層110可包括半導體材料，例如矽、鍺、GaAs、CdTe、CdZnTe或者其組合。半導體對感興趣輻射可具有高質量衰減係數。
電子層120可包括電子系統(例如圖7A或圖7B中的121)，其配置成處理輻射吸收層110中生成的電信號。電子系統可包括一個或多個電晶體。例如，電子系統可具有一個或多個電晶體(例如MOSFET(互補金屬氧化物半導體))。取決於負責使電流在MOSFET中流動的一次載荷子的類型，它可以是分別在圖2A和圖2B所示的NMOS(n溝道金屬氧化物半導體場效應電晶體)或PMOS(p溝道金屬氧化物半導體場效應電晶體)。
圖2A和圖2B各示意示出MOSFET 210，其中圖2A所示的MOSFET 210為NMOS，以及圖2B所示的MOSFET 210為PMOS。MOSFET 210可包括半導體襯底212、源極214、漏極216、柵絕緣體218、源極214上的源電極215、漏極216上的漏電極217、柵絕緣體218上的柵電極222以及溝道區225。
半導體襯底212可包括半導體材料，例如p型Si或者任何其他適當半導體材料。半導體襯底212可在正常操作期間經由體端子224D接地或者連接到源極214或電源。
源極214和漏極216可以是採用p或n型摻雜劑所摻雜的區域，以及溝道區225可將源極214與漏極216分離。在圖2A的示例中，源極214和漏極216是半導體襯底212中嵌入的摻雜區，其具有與半導體襯底212的摻雜類型相反的摻雜類型。在圖2A的示例中，源極214和漏極216採用n型摻雜劑來重摻雜，以及半導體襯底212為p型。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。在圖2A的示例中，溝道區225可以是半導體襯底212的組成部分。如圖2B所示，PMOS還可包括半導體襯底212中嵌入的擴散阱213，其具有與半導體襯底212的摻雜類型(例如p型)相反的摻雜類型(例如n型)。在圖2B的示例中，源極214和漏極216是擴散阱213嵌入的摻雜區，其具有擴散阱213的摻雜類型相反的摻雜類型。在圖2B的示例中，源極214和漏極216採用p型摻雜劑來重摻雜，以及擴散阱213和半導體襯底212分別為n型和p型。在圖2B的示例中，PMOS的溝道區225可以是擴散阱213的一部分。對於NMOS和PMOS，PN結在摻雜區(即，源極214、漏極216)與溝道區225之間以及在摻雜區(即，源極214、漏極216)與擴散阱213(在PMOS的情況下)或者半導體襯底212(在NMOS的情況下)之間來形成。源極214和漏極216因PN結的耗盡區而相互電隔離。源電極215和漏電極217可包括導電材料(例如金屬)。源電極215可在正常操作期間經由源極端子224A來連接到電壓源(例如電源)或者接地。漏電極217可在正常操作期間經由漏極端子224B來連接到電壓源(例如電源)或者將信號輸出到其他電子器件(例如電子系統中的另一個MOSFET、電阻器、電容器等)。
柵絕緣體218可以是夾合在溝道區225與柵電極222之間的適當絕緣體(例如SiO2、Si3N4)。柵電極222可包括多晶矽或金屬(例如鋁)。柵電極222可通過柵絕緣體218與溝道區225電絕緣。柵電極222可在正常操作期間經由柵極端子224C來連接到電壓源(例如電源)或者從其他電子器件(例如電子系統中的另一個MOSFET、電阻器或電容器)來接收輸入信號。
當柵電壓VG(即，柵電極222上相對源極214或半導體襯底212的偏置電壓)經由柵極端子224C來施加到柵電極222上，溝道區225的導電特性能夠因柵電壓VG所產生的溝道區225中的電場而改變。當柵電壓VG達到MOSFET 210的
閾值VT(例如，VT對NMOS為正而對PMOS為負)時，充分強的電場在溝道區225中產生，以便將足夠一次載荷子(例如對NMOS為電子、對PMOS為空穴)吸引到溝道區225與柵絕緣體218之間的介面，因此形成源極214與漏極216之間的導電溝道226(即，對NMOS為n溝道、對PMOS為p溝道)。導電溝道226允許電流在源極214與漏極216之間流動，以及柵電壓VG能夠控制流經導電溝道226的電流。柵絕緣體218在MOSFET 210的正常操作期間幫助防止導電溝道226中的電流流入和流出柵電極222。
圖3A示意示出MOSFET 210的柵絕緣體218中的空穴累積的過程。空穴累積是一種類型的輻射損壞，其能夠因輻射感應電荷俘獲而對MOSFET發生。當輻射檢測器100暴露於輻射微粒時，輻射微粒的一部分可到達電子層120，並且由柵絕緣體218吸收。負和正載荷子對(例如電子10和空穴20對)可在輻射微粒的吸收時在柵絕緣體218中生成。這些電子10和空穴20的一部分可重新組合；而其他電子和空穴可從柵絕緣體218逸出。電子10因其比空穴20要高的遷移率而比空穴20更易於從柵絕緣體218逸出。空穴20的一部分可通過空穴陷阱30(例如晶格缺陷)來俘獲，並且在柵絕緣體218中累積。在對輻射的暴露的某個時間段(例如數周、數月等)之後，柵絕緣體218中的空穴累積可使MOSFET 210的性能在品質上退化。例如，柵絕緣體218中的所累積空穴20可創建永久柵偏置，其引起閾值電壓VT的偏移。柵偏置在MOSFET 210為NMOS時可使MOSFET 210更易於接通，並且在MOSFET 210為PMOS時使MOSFET 210更難以接通。一些自愈過程可隨時間推移而在柵絕緣體218中發生，但是自愈的效果可能不夠顯著以克服因空穴累積引起的MOSFET 210的總體性能損失。
圖3B示意示出按照實施例、通過隧穿從因空穴累積引起的性能損失來恢復MOSFET 210。電場E可施加於柵絕緣體218。當電場E足夠強時，所俘獲空穴
20可通過克服空穴陷阱30的能量勢壘從空穴陷阱30逸出，並且最終漂移到溝道區225中。隨時間推移，柵絕緣體218中累積的空穴20大部分(例如80%、90%、99%等)可從柵絕緣體218中去除。
圖3C示意示出按照實施例、通過熱激發從因空穴累積引起的性能損失來恢復MOSFET 210。柵絕緣體218可在高溫(例如100℃、200℃或以上)下退火。所俘獲空穴20可具有充分熱能，以通過克服空穴陷阱30的能量勢壘從空穴陷阱30逸出，並且最終漂移到溝道區225中。隨時間推移，柵絕緣體218中累積的空穴20大部分(例如80%、90%、99%等)可從柵絕緣體218中去除。
圖4A和圖4B示意示出按照實施例、恢復輻射檢測器100的性能。輻射檢測器100的電子層120可包括一個MOSFET 210(或者如圖4A和圖4B所示的多個MOSFET 210)，其中具有其柵絕緣體218內的輻射感應空穴累積(如圖3A所示)。去除柵絕緣體218中的空穴可通過建立跨柵絕緣體218的電場(即，圖3B所示的隧穿機制)進行。在實施例中，建立跨柵絕緣體218的電場可通過在MOSFET 210的柵電極222上施加偏置電壓VG,R(例如通過圖4A和圖4B中的電壓源402所提供)來實現。偏置電壓VG,R可針對MOSFET 210的源極214、漏極216或半導體襯底212。例如，MOSFET 210的源極214、漏極216或半導體襯底212各自可連接到另一個電壓源(具有與偏置電壓VG,R不同的電位)或者可接地。在實施例中，MOSET 210的源極214和漏極216可處於相同電位。在圖4A和圖4B的示例中，MOSFET 210的源極214、漏極216和半導體襯底212全部接地。偏置電壓VG,R可具有足以從柵絕緣體218中去除柵絕緣體218中累積的空穴20的幅值。例如，偏置電壓VG,R可具有低於柵絕緣體218的擊穿電壓但高於柵絕緣體218的擊穿電壓的某個百分比(例如>90%)的幅值。換言之，通過對MOSFET 210的柵電極222施加偏置電壓VG,R，跨柵絕緣體218建立電場，並
且電場足夠強以在某個時間段(例如一小時、一天)之內從柵絕緣體218中去除柵絕緣體218中累積的空穴的大部分(例如80%、90%、99%等)。
輻射檢測器100可包括開關404和處理器403。開關404可配置成在處理器403的控制下例如經由柵極端子224C將柵電極222與電壓源402相連接。處理器403可配置成接收代碼(例如密鑰代碼、密碼)，確定代碼的有效性，並且僅在確定代碼的有效性之後對柵電極222施加偏置電壓VG,R。輻射檢測器100的每個副本可具有唯一代碼。僅當與輻射檢測器100的特定副本對應的有效代碼被提供給處理器403時，處理器403才對柵電極222施加偏置電壓VG,R(例如使用開關404)。例如，開關404可以是可重新配置開關網路，以及處理器403可基於代碼來重新配置開關網路。僅當提供給處理器403的代碼為有效時，處理器403才重新配置開關網路，使得偏置電壓VG,R從電壓源402施加到柵電極222。
在圖4A所示的實施例中，偏置電壓VG,R和柵電壓VG均可由電壓源402來提供，如圖4A的示例所示。電壓源402可以是可調整的，使得偏置電壓VG,R的幅值和符號可例如在偏置電壓VG,R與柵電壓VG之間來調諧。施加到不同MOSFET 210中的柵電極222的偏置電壓VG,R可以是不同的。
在圖4B所示的實施例中，偏置電壓VG,R可由電壓源402來提供，以及柵電壓VG可由另一個電壓源409來提供。電壓源402和電壓源409可以不是可調整的。開關404可配置成對柵電極222施加來自電壓源402的電壓或者來自電壓源409的電壓。
在實施例中，輻射檢測器100還可包括加熱元件410，其配置成例如通過在恢復模式將電子層120加熱到高溫來對柵絕緣體218進行退火。高溫可高於輻射檢測器100的正常操作的環境溫度。例如，高溫可以為100℃、200℃及以上。
MOSFET 210的柵絕緣體218中累積的空穴可通過熱激發(如圖3C所示)從柵絕緣體218中去除。
圖5A示意示出按照實施例的開關404的原理框圖。開關404可具有限制器406。限制器406是一種電路，其配置成允許具有低於閾值的幅值的電壓未受影響地通過，而將具有高於閾值的幅值的電壓衰減成具有低於或等於閾值的幅值的電壓。閾值可選擇成使得在施加到柵電極222的偏置電壓具有低於閾值的幅值時，偏置電壓不足以從柵絕緣體318中去除所累積空穴。電壓源402可提供足以從柵絕緣體中去除所累積空穴的電壓VG,R。在輻射檢測器100的正常操作期間，處理器403使開關404跨限制器406來引導電壓VG,R，由此將VG,R限制到VG，並且對柵極222施加VG。在輻射檢測器100的恢復期間，例如當提供有效代碼時，處理器403使開關404對柵電極222施加電壓VG,R，而沒有通過限制器406對它進行限制。
圖5B示意示出按照實施例的開關404的原理框圖。電壓源402可提供足以從柵絕緣體中去除所累積空穴的電壓VG,R。在輻射檢測器100的正常操作期間，處理器403使開關404把來自電壓源409的電壓VG施加到柵電極222。在輻射檢測器100的恢復期間，例如當提供有效代碼時，處理器403使開關404把來自電壓源402的電壓VG,R施加到柵電極222。
圖6A示意示出按照實施例的輻射檢測器100的詳細截面圖，輻射吸收層110可包括一個或多個二極體(例如p-i-n或p-n)，其通過第一摻雜區111以及第二摻雜區113的一個或多個分立區114所形成。第二摻雜區113可通過可選本征區112與第一摻雜區111分隔。分立區114通過第一摻雜區111或本征區112相互分隔。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，而區域113為n型，或者區域111為n型，而區域113為p型)。在圖
6A的示例中，第二摻雜區113的分立區114的每個形成具有第一摻雜區111和可選本征區112的二極體。即，在圖6A的示例中，輻射吸收層110具有多個二極體，其具有作為共用電極的第一摻雜區111。第一摻雜區111還可具有分立部分。
當來自輻射源的輻射照射輻射吸收層110(其包括二極體)時，輻射光子可被吸收，並且通過多個機制來生成一個或多個載荷子。載荷子可在電場下漂移到二極體之一的電極。該電場可以是外部電場。電氣觸點119B可包括分立部分，其每個與分立區114進行電接觸。術語“電氣觸點”可與詞語“電極”可互換地使用。在實施例中，載荷子可沿方向漂移，使得輻射的單個微粒所生成的載荷子基本上沒有由兩個不同分立區114所共用(“基本上沒有共用”在這裏表示這些載荷子的不到2%、不到0.5%、不到0.1%或者不到0.01%流動到分立區114中與載荷子的其餘部分不同的分立區114)。通過在這些分立區114之一的佔用面積周圍入射的輻射的微粒所生成的載荷子基本上沒有與這些分立區114的另一個共用。輻射檢測器100可包括像素陣列，並且陣列中的每個像素可與分立區114關聯。陣列中的像素可以是分立區114周圍與像素關聯的區域，其中通過入射到其上的輻射的微粒所生成的基本上全部(超過98%、超過99.5%、超過99.9%或者超過99.99%)載荷子流動到分立區114。即，這些載荷子的不到2%、不到1%、不到0.1%或者不到0.01流動到像素之外。
如圖6B的輻射檢測器100的備選詳細截面圖所示，按照實施例，輻射吸收層110可包括半導體材料(例如矽、鍺、GaAs、CdTe、CdZnTe或者其組合)的電阻器，但是沒有包括二極體。半導體對感興趣輻射可具有高質量衰減係數。
當輻射照射輻射吸收層110(其包括電阻器但沒有包括二極體)時，它可被吸收，並且通過多個機制來生成一個或多個載荷子。輻射的微粒可生成10至100000
個載荷子。載荷子可在電場下漂移到電氣觸點119A和119B。該電場可以是外部電場。電氣觸點119B包括分立部分。在實施例中，載荷子可沿多個方向漂移，使得輻射的單個微粒所生成的載荷子基本上沒有由電氣觸點119B的兩個不同分立部分所共用(“基本上沒有共用”在這裏表示這些載荷子的不到2%、不到0.5%、不到0.1%或者不到0.01%流動到分立部分中與載荷子的其餘部分不同的分立部分)。通過在電氣觸點119B的這些分立部分之一的佔用面積周圍入射的輻射的微粒所生成的載荷子基本上沒有與電氣觸點119B的這些分立部分的另一個共用。與電氣觸點119B的分立部分關聯的陣列中的像素可以是分立部分周圍的一個區域，其中入射到其上的輻射的微粒所生成的基本上全部(超過98%、超過99.5%、超過99.9%或者超過99.99%)載荷子流動到電氣觸點119B的分立部分。即，這些載荷子的不到2%、不到0.5%、不到0.1%或者不到0.01流動到與電氣觸點119B的一個分立部分關聯的像素之外。
電子層120可包括電子系統121，其適合於處理或解釋入射到輻射吸收層110上的輻射所生成的信號。電子系統121可包括模擬電路(例如濾波器網路、放大器、積分器和比較器)或者數字電路(例如微處理器和記憶體)。電子系統121可包括一個或多個ADC。電子系統121可包括像素所共用的組件或者專用於單個像素的組件。例如，電子系統121可包括專用於每個像素的放大器以及在全部像素之間共用的微處理器。電子系統121可通過通孔131電連接到像素。通孔之間的空間可填充有填充材料130，其可增加電子層120到輻射吸收層110的連接的機械穩定性。將電子系統121連接到像素而沒有使用通孔的其他接合技術是可能的。
圖7A和圖7B各示出按照實施例的電子系統121的組件圖。電子系統121可包括電壓比較器301、計數器320、開關305、伏特計306和控制器310。
電壓比較器301配置成將二極體的電極的電壓與第一閾值進行比較。二極體可以是通過第一摻雜區111、第二摻雜區113的分立區114之一以及可選本征區112所形成的二極體。備選地，電壓比較器301配置成將電氣觸點(例如電氣觸點119B的分立部分)的電壓與第一閾值進行比較。電壓比較器301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。電壓比較器301可由控制器310可控地啟動或停用。電壓比較器301可以是連續比較器。即，電壓比較器301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電壓比較器301降低系統121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電壓比較器301是特別適合的。電壓比較器301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電壓比較器301可能使系統121缺失一些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電壓比較器301是特別適合的。第一閾值可以是單個入射輻射光子可在二極體的電極或者電阻器的電氣觸點上生成的電壓的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、輻射吸收層110的材料和其他因素。例如，第一閾值可以是50mV、100mV、150mV或200mV。
電壓比較器301可包括一個或多個op-amp或者任何其他適當電路。電壓比較器301可具有高速度，以允許系統121在入射輻射的高通量下操作。但是，具有高速度常常以功率消耗為代價。
計數器320配置成記錄到達二極體或電阻器的光子的數量。計數器320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310可以是硬體組件，例如微控制器或者微處理器。控制器310配置成從電壓比較器301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310可配置成在電壓比較器301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電壓比較器301的操作不要求的計數器320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。
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310本身可停用，直到電壓比較器301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310。
控制器310可配置成在時間延遲到期時使伏特計306測量電壓。控制器310可配置成將電極或電氣觸點連接到電接地，以便重置電壓，並且排放電極或電氣觸點上累積的任何載荷子。在實施例中，電極或電氣觸點在時間延遲到期之後連接到電接地。在實施例中，電極或電氣觸點對有限重置時間週期連接到電接地。控制器310可通過控制開關305將電極或電氣觸點連接到電接地。開關可以是電晶體(例如場效應電晶體(FET))。
在實施例中，系統121沒有模擬濾波器網路(例如RC網路)。在實施例中，系統121沒有模擬電路。
伏特計306可將所測量的電壓作為模擬或數字信號來饋送給控制器310。
系統121可包括電容器模組309，其電連接到二極體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或電氣觸點的載荷子。電容器模組能夠包括放大器的回饋路徑中的電容器。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。來自電極或電氣觸點的載荷子對某個時間週期(“積分週期”)(例如，如圖8所示，在t0與t1之間)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或電氣觸點的電容器。
圖8示意示出按照實施例、通過入射到二極體或電阻器上的一個或多個光子所生成的載荷子所引起的電極或電氣觸點的電壓的時間變化。電壓可以是電流相對時間的積分。一個或多個光子在時間t0開始照射二極體或電阻器，載荷子在二極體或電阻器中開始生成，電流開始流經二極體的電極或者電阻器的電氣觸點，並且電極或電氣觸點的電壓的絕對值開始增加。在時間t1，電壓比較器301確定電壓的絕對值等於或超過第一閾值V1的絕對值，以及控制器310開始時間延遲TD1，並且控制器310可在TD1開始時停用電壓比較器301。如果在t1之前停用控制器310，則在t1啟動控制器310。在時間ts，時間延遲TD1到期。光子可在整個TD1中繼續照射二極體或電阻器。
控制器310可配置成在時間延遲TD1到期時使伏特計306測量電壓。由伏特計306所測量的電壓Vt與入射光子從t0至ts所生成的載荷子量成比例，其涉及入射光子的總能量。當入射光子具有相似能量時，控制器310可配置成通過
通過將Vt除以單個光子對電極或電氣觸點所引起的電壓來確定從t0至ts的入射光子的數量。控制器310可將計數器320增加光子數量。
在TD1到期之後，控制器310對複位週期RST將電極或電氣觸點連接到電接地，以允許電極或電氣觸點上累積的載荷子流動到接地，並且重置電壓。在RST之後，系統121準備好檢測另一個入射光子。如果電壓比較器301已經停用，則控制器310能夠在RST到期之前的任何時間將它啟動。如果控制器310已經停用，則它可在RST到期之前被啟動。
在實施例中，電子系統121的一個或多個組件(例如控制器310、電壓比較器301、計數器320等)可包括一個或多個MOSFET 210，其隨時間推移可能遭受輻射損壞。一個或多個MOSFET 210的性能可使用這裏所述的方法來恢復。
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。
20‧‧‧空穴
30‧‧‧空穴陷阱
215‧‧‧源電極
218‧‧‧柵絕緣體
Claims (30)
- 一種恢復輻射檢測器的性能的方法，所述輻射檢測器包括：輻射吸收層，配置成吸收入射到其上的輻射微粒，並且基於所述輻射微粒來生成電信號；電子系統，配置成處理所述電信號，所述電子系統包括電晶體，所述電晶體包括柵絕緣體，其中因所述柵絕緣體對輻射的暴露而累積正載荷子；所述方法包括：通過建立跨所述柵絕緣體的電場從所述柵絕緣體中去除所述正載荷子。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中，去除所述正載荷子包括對所述柵絕緣體進行退火。
- 如申請專利範圍第1項之方法，還包括：接收代碼；確定所述代碼是否有效；其中所述正載荷子僅當所述代碼為有效時才從所述柵絕緣體中去除。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中，所述電晶體包括柵電極，其中建立所述電場包括在所述柵電極上施加偏置電壓。
- 如申請專利範圍第4項之方法，其中，在所述柵電極上施加所述偏置電壓包括將所述柵電極連接到電壓源。
- 如申請專利範圍第4項之方法，其中，在所述柵電極上施加所述偏置電壓包括通過限制器來限制所述偏置電壓。
- 如申請專利範圍第4項之方法，其中，所述電晶體包括源極和漏極，其中所述柵電極上的所述偏置電壓針對所述源極或所述漏極。
- 如申請專利範圍第7項之方法，其中，所述源極和所述漏極處於相同電位。
- 如申請專利範圍第4項之方法，其中，所述偏置電壓具有低於所述柵絕緣體的擊穿電壓的幅值。
- 如申請專利範圍第4項之方法，其中，所述偏置電壓具有大於所述柵絕緣體的擊穿電壓的90%的幅值。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中，所述電晶體是MOSFET。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中，所述電子系統包括：電壓比較器，配置成將所述輻射吸收層的電氣觸點的電壓與第一閾值進行比較；計數器，配置成記錄所述輻射吸收層所吸收的輻射微粒的數量；控制器；伏特計；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到期時使所述伏特計測量所述電壓；所述控制器配置成通過將所述伏特計所測量的所述電壓除以單個輻射微粒對所述輻射吸收層的所述電氣觸點所引起的電壓來確定輻射微粒的數量；所述控制器配置成使所述計數器所記錄的所述數值增加輻射微粒的所述數量。
- 如申請專利範圍第12項之方法，其中，所述控制器包括所述電晶體。
- 如申請專利範圍第12項之方法，其中，所述電壓比較器包括所述電晶體。
- 如申請專利範圍第12項之方法，其中，所述輻射檢測器還包括電容器，其電連接到所述輻射吸收層的所述電氣觸點，其中所述電容器配置成收集來自所述輻射吸收層的所述電氣觸點的載荷子。
- 如申請專利範圍第12項之方法，其中，所述控制器配置成在所述時間延遲開始時停用所述電壓比較器。
- 如申請專利範圍第12項之方法，其中，所述第一閾值為單個光子對所述輻射吸收層的所述電氣觸點所生成的電壓的5-10%。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中所述輻射檢測器還包括加熱元件，其配置成加熱所述柵絕緣體。
- 一種輻射檢測器，包括：輻射吸收層，配置成吸收入射到其上的輻射微粒，並且基於所述輻射微粒來生成電信號；電子系統，配置成處理所述電信號，所述電子系統包括電晶體，所述電晶體包括柵絕緣體，其中因所述柵絕緣體對輻射的暴露而累積正載荷子；以及處理器，配置成通過建立跨所述柵絕緣體的電場從所述柵絕緣體中去除所述正載荷子。
- 如申請專利範圍第19項之輻射檢測器，其中，所述處理器配置成通過對所述柵絕緣體進行退火從所述柵絕緣體中去除所述正載荷子。
- 如申請專利範圍第19項之輻射檢測器，其中，所述處理器配置成接收代碼，確定所述代碼是否有效，並且僅當所述代碼有效時從所述柵絕緣體中去除所述正載荷子。
- 如申請專利範圍第19項之輻射檢測器，其中，所述電晶體包括柵電極，其中所述處理器配置成通過在所述柵電極上施加偏置電壓以建立所述電場從所述柵絕緣體中去除所述正載荷子。
- 如申請專利範圍第22項之輻射檢測器，其中，所述處理器配置成施加具有大於所述柵絕緣體的擊穿電壓的90%的幅值的所述偏置電壓。
- 如申請專利範圍第19項之輻射檢測器，還包括加熱元件，其配置成加熱所述柵絕緣體。
- 如申請專利範圍第19項之輻射檢測器，其中，所述電子系統包括：電壓比較器，配置成將所述輻射吸收層的電氣觸點的電壓與第一閾值進行比較；計數器，配置成記錄所述輻射吸收層所吸收的輻射微粒的數量；控制器；伏特計；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到期時使所述伏特計測量所述電壓；所述控制器配置成通過將所述伏特計所測量的所述電壓除以單個輻射微粒對所述電極觸點所引起的電壓來確定輻射微粒的數量；所述控制器配置成使所述計數器所記錄的所述數值增加輻射微粒的所述數量。
- 如申請專利範圍第25項之輻射檢測器，其中，所述控制器包括所述電晶體。
- 如申請專利範圍第25項之輻射檢測器，其中，所述電壓比較器包括所述電晶體。
- 如申請專利範圍第25項之輻射檢測器，還包括電容器，其電連接到所述輻射吸收層的所述電氣觸點，其中所述電容器配置成收集來自所述輻射吸收層的所述電氣觸點的載荷子。
- 如申請專利範圍第25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時停用所述電壓比較器。
- 如申請專利範圍第25項之輻射檢測器，其中，所述第一閾值為單個光子對所述輻射吸收層的所述電氣觸點所生成的電壓的5-10%。
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