WO2020141245A1 - Procedimiento de detección de radiación y partículas empleando un diodo semiconductor por modulación de bandas de energía - Google Patents

Procedimiento de detección de radiación y partículas empleando un diodo semiconductor por modulación de bandas de energía Download PDF

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particle
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Carlos NAVARRO MORAL
Francisco GÁMIZ PÉREZ
Carlos MÁRQUEZ GONZÁLEZ
Carlos SAMPEDRO MATARÍN
Luca DONETTI
Santiago NAVARRO MORAL
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Universidad de Granada
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F30/00—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors
    • H10F30/20—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/10—Semiconductor bodies
    • H10F77/14—Shape of semiconductor bodies; Shapes, relative sizes or dispositions of semiconductor regions within semiconductor bodies

Definitions

  • the present invention can be categorized within the field of Physics, specifically in the area of Semiconductor Devices and more specifically in that of the use of semiconductors as measuring instruments.
  • Some detectors that have been used extensively in the past (and even today) include multiplier tubes, scintillation crystals, G-M ("Geiger-Muller") counters, and semiconductor-based detectors.
  • G-M Gariger-Muller
  • semiconductor-based detectors the use of semiconductor materials such as particle and radiation sensors is widely extended thanks to its greater efficiency.
  • the first versions were known as crystal counters, but modern detectors are known as solid-state detectors or semiconductor diode-based detectors.
  • solid state detectors In addition to greater efficiency, solid state detectors have other very advantageous qualities such as a compact size, easy configuration in their geometry and higher speed. In return, semiconductor-based detectors are limited to small sizes and their functionality may be degraded by damage induced by the radiation itself.
  • silicon stands out as dominant, mainly in diodes for charged particle spectroscopy.
  • Other semiconductors in column IV on the periodic table such as germanium (Ge) are used more to detect gamma rays.
  • germanium germanium
  • the usual mechanism for detecting radiation sources in semiconductor devices, such as silicon, is the generation of charge in the form of electron-hole pairs (electrons that are excited from the valence band, where they generate a vacancy or hole) , up to the conduction band) that modify the conductivity of the material. This is possible thanks to the absorption of energy that the radiation gives off when it hits the detector device.
  • photocurrent The detection of the current, called photocurrent, that this charge (electron-hole pairs) can generate is the principle of operation of devices such as: photodiodes pn (junction of semiconductor with acceptor-donor doping) or pin (junction of semiconductor with doping acceptor-intrinsic-donor), avalanche photodiodes or APDs, photomultipliers and photoresistors, or LDRs (light-dependent resistor 1 '). All of them mainly based on the detection of electromagnetic radiation.
  • the principle is analogous.
  • the incident particle gives up part of its energy as it passes through the semiconductor device, again generating charge in the form of electron-hole pairs that will also give rise to a current.
  • Some existing semiconductor sensors include microstrip or SSD (Silicon strip detectors) or PSD (position sensitive detectors) sensors.
  • the energy band modulation diode is a semiconductor device whose structure typically corresponds to a pin diode (acceptor / intrinsic / donor type doped silicon) manufactured in SOI (silicon-over-insulating) technology with two control terminals, one upper it does not completely cover the intrinsic zone and a lower one under the entire structure ( Figure 1, above) [US20130069122A1] Alternatively it can be implemented in an analogous way with a structure without a terminal of the upper control and double terminal of the lower control ( Figure 1, center) or in an extreme case with a pnpn diode without the need for control terminals.
  • This device can also be applied to protect devices against electrostatic discharge (ESD) [Y. Solaro et al., “Z2-FET: A promising FDSOI device for ESD protection”], as a dynamic memory cell DRAM [J. Wan et al. , “A Compact Capacitor- Less High-Speed DRAM Using Field Effect-Controlled Charge Regeneration’] or as a surface charge sensor [A. Padilla, “Feedback FET: a novel transistor exhibiting steep switching behavior at low bias voltages”]
  • the first object of the present invention is a procedure that allows the detection of particles or radiation using a diode by modulating energy bands.
  • a second object of the invention is also a device, hereinafter “device of the invention", for the detection of particles or radiation, comprising at least one diode by modulating energy bands and the means necessary to carry out the detection.
  • devices can be, without excluding other possible devices, pn or pin photodiodes, avalanche photo diodes or APDs, photomultipliers, microstrip sensors or SSDs, sensors sensitive to the position or PSD (of the English “position sensitive detectors”), photoresistors or LDR (of the English “light-dependent resistor 1 ').
  • CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
  • Figure 1 Schematic representation of the longitudinal section (anode-cathode direction) of three different structures of a diode by modulation of energy bands, where each number represents:
  • 2- Main lower control terminal, BG also referred to as GP (Ground Pla ⁇ e).
  • Figure 2. Schematic representation of a particle (13) or radiation (14) incident on the window (15) of the diode by modulation of energy bands.
  • Figure 3 - Characteristic lV (intensity-voltage) curve of the diode by modulation of energy bands demonstrating the rapid transition between the regions of low conductivity (16) and that of high conductivity (17) that occurs at a voltage VON (18) .
  • VON voltage
  • VOFF voltage-voltage
  • Figure 4. Typical diode polarization scheme by modulating energy bands with the cathode terminal K as reference, VK.
  • FIG. Longitudinal section (anode-cathode direction) of the electrostatic potential (equivalently energy), which shows how the modulation of the energy barriers in the body of the detector diode: when the barriers are large, the conductivity is low and, at collapse (VON), conductivity increases dramatically.
  • 27 Potential barrier induced by the lower control polarization BG (VBG), or by the doping of the region next to the cathode itself.
  • Figure 7 Computer simulation of the behavior of the device under the impact of a particle (30) and its subsequent zeroing (31) for different anode polarizations. The polarization in the rest of the terminals is constant. 32- VA ⁇ VOFF. 33- VOFF ⁇ VA ⁇ VON. 34- GO> VON. Only at 33 the detector is functional.
  • Figure 8. Charge density generated by a particle that impacts the area without an upper control terminal in the preferred configuration of the detector diode.
  • modulation of energy bands includes the mechanism by which a diode, under suitable polarization conditions, presents two clearly differentiated conduction (conductivity) states (with several orders of magnitude) in which the passage from one to the other occurs abruptly thanks to a positive feedback mechanism
  • the low conductivity state is obtained when one or more energy barriers appear between the anode and cathode regions that limit the normal diffusion of carriers that occurs in a diode without modulation of energy bands
  • These barriers can be induced by additional control terminals, by changes in the doping between anode and cathode or by a combination of both causes.
  • the positive feedback mechanism takes place as a consequence of the diffusion of carriers (gaps from the anode and electrons from the cathode) that enter the body and reduce the barriers.
  • the pr Event becomes unstable and the diffusion of one carrier (hole for example) increases the diffusion of the other type of carrier (electron in this case) and vice versa leading to a collapse in the barriers and a sudden increase in conductivity.
  • energy band modulation diode or, for simplicity in this description, “diode” refers to a device that comprises a junction of semiconductor materials of different types of doping and / or different band gap, in English) and has two very different conductivity operating zones, so that the transition between these operating zones occurs abruptly due to the modulation of energy bands.
  • These devices can contain one or more spatial regions with different doping between their ends as long as the device finally presents two zones of operation with different conductivity.
  • diode comprises devices with pn-type junctions (acceptor doping with donor doping), pin (acceptor doping with donor doping with an intrinsic region between them) and pnpn (acceptor, donor doping, acceptor and donor).
  • the present invention relates to a method, hereinafter "the method of the invention for detecting particles and radiation using a diode by modulating energy bands.
  • the method of the invention comprises detecting a change in the conduction state of a diode by modulating energy bands.
  • This change in the conduction state is produced by the impact of a particle (13, Figure 2) in the region (hereinafter “window”, 15 in Figure 2) that does not cover the top control terminal (s). / is, or by exposure of said window to a source of electromagnetic radiation (14, Figure 2).
  • the applicant has verified by means of computer aided simulation that the interaction between a particle or radiation and the crystalline network of the diode by modulating energy bands allows to generate a charge (electron-hole pairs) capable of modifying the conduction state of the device and by both allowing detection of the impact or incidence of radiation.
  • the method of the invention comprises a prior step of polarization of the diode, which allows its sensitivity to be modified and the type of particle or radiation to be detected to be discriminated.
  • a diode by modulation of energy bands has unique electrical characteristics where the presence of two regions with very different conductivities stands out.
  • the region with the lowest conductivity (16, Figure 3) is obtained as a consequence of the energy barriers present in the body of the device. These energy barriers are induced with the upper control polarization, FG, and lower, BG, (2 and 8 in Figure 1, above), with the polarization of both lower control terminals, BG and BG2 (2 and 10 in Figure 1, center) or independently from the device body itself (11 and 12 in Figure 1, below).
  • the region with the highest conductivity (17, Figure 3) corresponds to the diode current when the energy barriers have collapsed. Said collapse of energy barriers occurs due to the presence of charge (electrons and / or holes in the intrinsic region). Since the commutation between both regions occurs as a consequence of an unstable process of positive feedback, the change between regions is almost instantaneous (18 and 19, Figure 3).
  • the energy band modulation diode needs to be biased in the low conductivity region (16, Figure 3).
  • the barriers in the energy bands the following will be met:
  • the objective is to block the diffusion of carriers, holes from the anode (24, Figure 5) and electrons from the cathode (25, Figure 5), by means of energy barriers (26 and 27, Figure 5). This whole process depends on the detector diode itself (geometry and architecture) as well as its distance and inclination to the radiation source.
  • V A The anode voltage V A (20, Figure 4) will be positive and always lower than the tripping voltage, VA ⁇ VON (18, Figure 3) and higher than the cut-off voltage, VA> VOFF (19, Figure 3) .
  • VON and VOFF depend on the materials in the device, their doping, geometry, temperature and, if any, VFG, VBG and VBG2 polarizations (20, 22 and 23 respectively in Figure 4).
  • V ON The charge generated by the particle or incident radiation will temporarily shift V ON (18, Figure 3) towards lower voltages (V ON is reduced). Eventually, this displacement will imply that V A > V ON by switching the diode by modulating energy bands towards the high conductivity region (17, Figures 3 and 28/29, Figure 5) and detecting the incidence of the particle or radiation.
  • VA Since a lower charge generated by the particle or radiation translates into a lower displacement of VON, in order to increase the sensitivity of the detector, VA will be polarized as close to VON as required without ever exceeding it.
  • the polarization adjustment also allows a possible correction for degradation due to time or the previous impact of the detected particles.
  • the method of the invention comprises, in another preferred embodiment, a "zeroing" step.
  • the detector In order to reset the detection conditions after the incidence of a particle or radiation, the detector must recover its initial conditions evacuating the excess charge. For this, the diode polarization is changed so that the anode voltage V A (21, Figure 4) is less than VOFF, for example null.
  • the upper and / or lower / control voltages VFG, VBG and VBG2 (20, 22 and 23 respectively in Figure 4) can also be null simultaneously.
  • a calibration stage is contemplated in which the voltages of each terminal will be finally adjusted.
  • Said calibration process (schematized in Figure 6) has as its final purpose the DC (direct current ') characterization of the device of the invention to extract the useful voltage range of the device. For this, the current-voltage characteristic at the anode will be monitored, hereinafter I A -V A ( Figure 3):
  • the device of the invention is irradiated with the source of particles or radiation to be detected. It is important to adjust the dose and energy of the source to the minimum value to be detected, as well as its distance and angle of emission.
  • the energy band modulation diode will detect from that threshold.
  • the diode does not switch satisfying VOFF ⁇ VA ⁇ VON.
  • the diode in its current configuration does not allow the detection of said source of particles or radiation. You can vary the polarization of the device by going back to step 1 of the calibration. In the absence of a valid polarization, the replacement of the diode with another with a different geometry with greater sensitivity is proposed.
  • the zeroing and calibration process be carried out manually or automatically, in the latter case the object of the invention also comprising all the software and hardware elements necessary for said purpose.
  • the sensitivity of the diode depends on the polarization and its architecture and geometry. In general, it is true that the sensitivity increases when:
  • the length of the upper control terminal (where it exists) is reduced. The generation before the incidence of a particle or radiation decays with distance. Reducing the length of the control terminal increases the possibilities of generating load under it to facilitate the collapse of the barriers. • The thickness of the area not covered by the upper control terminal increases.
  • the process of the invention comprises the following steps:
  • Detection stage which in turn includes:
  • the second object of the present invention is a device for detecting particles and / or radiation, hereinafter “device of the invention” that comprises at least one diode by modulating energy bands.
  • the device comprises means for detecting current levels by means of amplifiers, comparators and their associated circuitry, as well as the same for supplying the sensor.
  • At least one diode preferably all diodes comprised in the device of the invention, is a planar diode.
  • the diode comprised in the device of the invention is made in three-dimensional FinFET type technology, tri-gate transistor or nanowires of any size and aspect ratio.
  • the diode structure will be manufactured using mainly silicon, it can be made equivalently with other semiconductor materials such as they can be elements of groups III-V or II-VI (homo-structures and heterostructures) or other two-dimensional materials such as graphene or TMDs (of English "transition metal said monogeners monolayers") or a combination of the aforementioned.
  • the device of the invention comprises at least one polarized diode.
  • the diode is biased so that it is always working as a detector. As in this state, the diode has low conductivity, there is no current or it is very small, and therefore there is no power consumption or it is minimal. Once the charge is generated due to the impact of a particle or exposure to a radiation source, the device switches and presents a high current.
  • the behavior of the device under the impact of a highly energetic particle depends on the polarization. It is observed how, taking into account the anode polarization (30, Figure 7), the impact of the particle allows the device to be switched. If the anode voltage (21, Figure 4) is less than VOFF (19, Figure 3) or higher than VON (18, Figure 3), the device of the invention never reaches (32, Figure 7) or is always ( 34, Figure 7) in the high conductivity region (17, Figure 3), respectively, and does not function as a radiation detector. Only in the intermediate region the device can work detecting the incidence of radiation by particles or electromagnetic waves (33, Figure 7). After detection, the initial state of the detector can be re-established efficiently with a zeroing operation (31, Figure 7) simply and quickly.
  • the dimensions of the detector diode used in the device of the invention are between 10 microns up to 50 nanometers in length.
  • the width of the device is also highly configurable, varying between configurations with 50 nanometers up to 100 microns.
  • the silicon in the area without the upper control terminal of the detector diode used in the device of the invention has a thickness of between 5 and 100 nanometers. In the area covered by the upper control terminal, the thickness ranges from 5 to 20 nanometers. Other dimensions and geometries than those mentioned above are also possible.
  • the angle of incidence of the radiation on the surface of the detector can be used as sensitivity adjustment, so in another preferred embodiment, the device of the invention comprises the means (mechanisms and elements) necessary to be able to adjust said angle.
  • the distance between source and detector can be used as sensitivity adjustment, so in another preferred embodiment, the device of the invention comprises the means (mechanisms and elements) necessary to be able to adjust said distance.
  • the means used can allow these adjustments (angle and distance) to be carried out manually or automatically and in person and remotely.
  • the device comprises the terminals (metals and tracks) necessary for an adequate application of the necessary voltages for polarization and their correct operation.
  • adjustable potentiometers can be contemplated so that their sensitivity can be adjusted with in situ polarization. This allows adjusting the sensor to optimize detection based on the particle or radiation that you want to detect / discriminate the type of particle or radiation that it detects.
  • This polarization adjustment also allows a possible correction for degradation due to time or the previous impact of the detected particles.
  • the device of the invention comprises a plurality of detector diodes with the same or different sensitivities.
  • Position detector a matrix with identical detectors will allow, once calibrated and adjusted to the radiation source to be detected, to identify the place / s of incidence.
  • Source identification a matrix with detectors with different sensitivity, once calibrated at different doses or radiation sources, allows to limit the energy, therefore the nature, of the particle / radiation based on which detectors are switched or not.
  • the physical implementation of the detector array caters to any two-dimensional or three-dimensional structure to optimize detection.
  • the calibration stage of the device described above will be carried out according to the radiation to detect.
  • the inclination, distance and polarization values will be known from this moment.
  • the detector current will be monitored to discern possible changes towards a much higher current level, in which case the detection is positive and must be indicated by means of signals of any kind (optical, acoustic or electrical, among others). ).
  • This process is expandable to a multitude of sensors, in which case the calibration must be carried out individually or together for one or different radiation sources with one or more intensities.
  • a diode by modulation of energy bands has been simulated with a computer with an upper control terminal.
  • the total length is 400 nanometers (equally distributed between the area covered or not by the control terminal) and a width of 100 nanometers.
  • the thicknesses are 22 nanometers in the part without an upper control terminal and 7 nanometers in the rest.
  • the doping profile corresponds to a pin diode (the concentrations are, respectively, of (p) boron « 10 21 cnr 3 , (i) boron 10 16 cnr 3 and (n) arsenic « 10 21 cnr 3 ).
  • Calibration begins by setting the voltages to induce the energy barriers and allow the low conduction state.
  • the IA-VA curve is then extracted to obtain the VON and VOFF values ( Figure 9).
  • the incident particle represents any set of one or more particles whose LET (linear energy transfer) coefficient, defined as the amount of energy that the particle yields per unit length dE / dx, in silicon is " 13 keV / mGh.
  • Figure 11 shows the anode current after particle impact for different LETs and anode voltages. It can be seen how the sensitivity increases (lower LET is required) to switch as VA tends to VON.
  • Figure 12 illustrates the dependence of the load generated under the upper control terminal as a function of the length of said terminal. By reducing the length, the charge that the particle generates in the area without a control terminal reaches the region under contact more effectively, making it possible to lower the energy barriers more easily.

Landscapes

  • Measurement Of Radiation (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

La presente invención describe un procedimiento que permite la detección de partículas o radiación empleando un diodo por modulación de bandas de energía.La utilización de esta invención resulta especialmente interesante para detectar radiación incidente de partículas cargadas u ondas electromagnéticas, por lo que también son objeto de la invención los dispositivos para la detección de partículas o radiación, que comprenden al menos un diodo por modulación de bandas de energía y los medios necesarios para llevar a cabo la detección.

Description

PROCEDIMIENTO DE DETECCIÓN DE RADIACIÓN Y PARTÍCULAS EMPLEANDO UN DIODO SEMICONDUCTOR POR MODULACIÓN DE BANDAS DE ENERGÍA
SECTOR DE LA TÉCNICA
La presente invención se puede categorizar dentro del sector de la Física, concretamente en el área de los Dispositivos Semiconductores y más concretamente en el del uso de semiconductores como instrumentos de medida.
ESTADO DE LA TÉCNICA
Detección de partículas o radiación
La necesidad de detectar fuentes de radiación se hace vital para ciertos ámbitos y campos de uso cotidiano. El uso de detectores de radiación permite aplicaciones que van desde las comunicaciones ópticas hasta el campo de la alimentación y el envasado de productos, pasando por otras áreas como su empleo en investigación en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, del inglés“large hadron collider”) en Ginebra.
Algunos detectores que se han utilizado ampliamente en el pasado (y aún hoy) comprenden tubos multiplicadores, cristales de centelleo, contadores G-M (“ Geiger-Muller”) y detectores basados en semiconductores. De entre los posibles detectores de radiación el uso de materiales semiconductores como sensores de partículas y radiación está ampliamente extendido gracias a su mayor eficiencia. Las primeras versiones eran conocidas como cristales contadores (del inglés“crystal counters”) pero los detectores modernos se conocen como detectores de estado sólido o detectores basados en diodos semiconductores.
Además de una mayor eficiencia, los detectores de estado sólido tienen otras cualidades muy ventajosas como un tamaño compacto, fácil configuración en su geometría y mayor velocidad. Como contrapartida, los detectores basados en semiconductores están limitados a tamaños reducidos y su funcionalidad puede resultar degradada por daños inducidos por la propia radiación.
De los materiales semiconductores disponibles, el silicio (Si) se erige como dominante, principalmente en diodos para la espectroscopia de partículas cargadas. Otros semiconductores de la columna IV en la tabla periódica como el germanio (Ge) se emplean más para detectar rayos gamma. El uso de materiales más exóticos, aquellos formados por heteroestructuras de las columnas lll-V y I l-VI, es más restringido por el coste inherente a los materiales empleados.
El mecanismo habitual en la detección de fuentes de radiación en dispositivos semiconductores, como por ejemplo el silicio, es la generación de carga en forma de pares electrón-hueco (electrones que se ven excitados desde la banda de valencia, donde generan una vacante o hueco, hasta la banda de conducción) que modifican la conductividad del material. Esto es posible gracias a la absorción de energía que la radiación cede cuando incide en el dispositivo detector. La detección de la corriente, denominada fotocorriente, que esta carga (pares electrón-hueco) puede generar es el principio de operación de dispositivos tales como: fotodiodos p-n (unión de semiconductor con dopado aceptador-donador) o p-i-n (unión de semiconductor con dopado aceptador-intrínseco-donador), fotodiodos de avalancha o APD (del inglés“avalanche photo diodes’), fotomultiplicadores y fotorresistores o LDR (del inglés “light-dependent resistor1’). Todos ellos principalmente basados en la detección de radiación electromagnética.
En cuanto a la detección de partículas cargadas, el principio es análogo. La partícula incidente cede parte de su energía a medida que atraviesa el dispositivo semiconductor dando lugar de nuevo a la generación de carga en forma de pares electrón-hueco que darán lugar asimismo a una corriente. Algunos sensores en semiconductores ya existentes incluyen detectores microstrip o SSD (del inglés“Silicon strip detectors’) o sensores sensibles a la posición o PSD (del inglés“position sensitive detectors").
Diodo por modulación de bandas de energía
El diodo por modulación de bandas de energía es un dispositivo semiconductor cuya estructura se corresponde típicamente con un diodo p-i-n (silicio dopado tipo aceptador/intrínseco/donador) fabricado en tecnología SOI (silicio-sobre-aislante) con dos terminales de control, uno superior que no cubre completamente la zona intrínseca y otro inferior bajo toda la estructura (Figura 1 , arriba) [US20130069122A1] Alternativamente puede implementarse de forma análoga con una estructura sin terminal del control superior y doble terminal de control inferior (Figura 1 , centro) o en un caso extremo con un diodo p-n-p-n sin necesidad de terminales de control. Este último caso permite emplear tecnología de silicio convencional en la que todo el sustrato es silicio cristalino, también conocida como tecnología bulk, salvando la necesidad de usar SOI (Figura 1 , abajo) pero limitando de forma notable su utilidad dado que su sensibilidad no es ajustable por medio de la polarización. Su implementación se realiza preferentemente en tecnología planar (Figura 1) aunque no obvia que pueda fabricarse en estructuras tridimensionales tipo FinFET, transistores tri-gate o nanohilos sea cual sea su forma o relación de aspecto.
Este dispositivo se puede aplicar también para protección de dispositivos ante descargas electrostáticas (ESD) [Y. Solaro et al., “Z2-FET: A promising FDSOI device for ESD protection” ], como celda de memoria dinámica DRAM [J. Wan et al. ,“A Compact Capacitor- Less High-Speed DRAM Using Field Effect-Controlled Charge Regeneration’] o como sensor de carga superficial [A. Padilla,“Feedback FET: a novel transistor exhibiting steep switching behavior at low bias voltages”]
Sin embargo, el solicitante no conoce ningún documento que describa o sugiera el uso de diodos de modulación de banda para detectar partículas o radiación electromagnética.
OBJETO DE LA INVENCIÓN
El primer objeto de la presente invención es un procedimiento que permite la detección de partículas o radiación empleando un diodo por modulación de bandas de energía.
La utilización de esta invención resulta especialmente interesante para detectar radiación incidente de partículas cargadas u ondas electromagnéticas, por lo que también un segundo objeto de la invención es un dispositivo, en adelante“dispositivo de la invención”, para la detección de partículas o radiación, que comprende al menos un diodo por modulación de bandas de energía y los medios necesarios para llevar a cabo la detección. Estos dispositivos pueden ser, sin excluir otros posibles dispositivos, Fotodiodos p-n o p-i-n, fotodiodos de avalancha o APD (del inglés “avalanche photo diodes’), fotomultiplicadores, sensores microstrip o SSD (del inglés“Silicon strip detectors’), sensores sensibles a la posición o PSD (del inglés“position sensitive detectors"), fotorresistores o LDR (del inglés“light-dependent resistor1’).
La utilización del dispositivo objeto de la invención para detectar partículas o radiación presentan las siguientes ventajas en relación con el estado de la técnica conocido por el solicitante:
• Consumo despreciable de energía en estado previo a la detección.
• Operación en temperatura ambiente sin necesidad de refrigeración.
• Diseño compacto permitiendo alta resolución espacial.
• Alto valor de la relación señal/ruido en el dispositivo, SNR (Signal to Noise Ratio).
• Alta velocidad de detección. • Bajo coste.
• Compatibilidad con la fabricación CMOS (Complementary Metal-Oxide- Semiconductor) permitiendo fácil co-integración con otros circuitos y elementos para el procesado.
• Fácil ajuste de la sensibilidad en función de la polarización y geometría del dispositivo.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Figura 1.- Representación esquemática del corte longitudinal (dirección ánodo-cátodo) de tres estructuras diferentes de un diodo por modulación de bandas de energía, donde cada número representa: 1- Substrato semiconductor. 2- Terminal de control inferior principal, BG, también referido como GP ( Ground Plañe). 3- Óxido de Silicio/dieléctrico enterrado o BOX ( Buried OXide). 4 Dieléctrico para aislamiento lateral. 5- Terminal de cátodo, K. 6- Cuerpo del dispositivo. 7- Óxido de Silicio/dieléctrico frontal para aislar contacto de control superior. 8- Terminal de control superior que no cubre completamente el cuerpo del dispositivo, FG. 9- Terminal de ánodo, A. 10- Terminal de control inferior secundario, BG2, también referido como GP2. 11- Cuerpo del dispositivo con dopado aceptador tipo p. 12- Cuerpo del dispositivo con dopado donador tipo n.
Figura 2.- Representación esquemática de una partícula (13) o radiación (14) incidiendo en la ventana (15) del diodo por modulación de bandas de energía.
Figura 3.- Curva l-V (intensidad-voltaje) característica del diodo por modulación de bandas de energía demostrando la rápida transición entre las regiones de baja conductividad (16) y la de alta conductividad (17) que ocurre a un voltaje VON (18). La transición inversa se produce en VOFF (19). El rango de tensiones útiles como detector de partículas o radiación queda comprendido entre VON Y VOFF.
Figura 4.- Esquema de polarización típica del diodo por modulación de bandas de energía con el terminal de cátodo K como referencia, VK. 20- Polarización entre terminales de control superior FG y cátodo K, VFG. 21- Polarización entre terminales de ánodo A y cátodo K, ½. 22- Polarización entre terminales de control inferior principal BG y cátodo K, VBG. 23- Polarización entre terminales de control inferior secundario BG2 y cátodo K, VBG å. Figura 5.- Corte longitudinal (dirección ánodo-cátodo) del potencial electrostático (equivalentemente energía), que muestra como la modulación de las barreras de energía en el cuerpo propia del diodo detector: cuando las barreras son grandes la conductividad es baja y, al colapsar (VON), la conductividad aumenta enormemente de forma abrupta. 24- Región de ánodo. 25- Región de cátodo. 26- Barrera de potencial inducida por la polarización de control superior FG ( VFG ), control inferior secundario (VBG2) O el propio dopado de la región próxima al ánodo. 27- Barrera de potencial inducida por la polarización de control inferior BG ( VBG), O por el propio dopado de la región próxima al cátodo. 28- Colapso de la barrera provocado por electrones difundidos desde el cátodo. 29- Colapso de la barrera provocado por huecos difundidos desde el ánodo.
Figura 6.- Diagrama de flujo para la calibración del diodo por modulación de bandas de energía.
Figura 7.- Simulación por ordenador del comportamiento del dispositivo ante el impacto de una partícula (30) y su posterior puesta a cero (31) para diferentes polarizaciones de ánodo. La polarización en el resto de terminales es constante. 32- VA<VOFF. 33- VOFF<VA<VON. 34- VA>VON. Solo en 33 el detector es funcional.
Figura 8.- Densidad de carga generada por una partícula que impacta en la zona sin terminal de control superior en la configuración preferente del diodo detector.
Figura 9.- Curva IA-VA para la calibración del diodo por modulación de bandas de energía. VON = 1 .035 V y VOFF = 0.740 V.
Figura 10.- Respuesta temporal del diodo por modulación de bandas de energía ante el impacto de una partícula cargada en t=0.02 s y su posterior puesta a cero en t=0.10 s para diferentes polarizaciones de ánodo.
Figura 11.- Corrientes del diodo por modulación de bandas de energía tras el impacto de una partícula en función del parámetro LET para varias tensiones de ánodo.
Figura 12.- Carga generada bajo el terminal de control superior, en el centro de la misma, en función de la longitud de dicho terminal. EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
Definiciones
El término“modulación de bandas de energía" comprende el mecanismo por el que un diodo, bajo condiciones de polarización adecuadas, presenta dos estados de conducción (conductividad) claramente diferenciados (con varios ordenes de magnitud) en los que el paso de uno a otro ocurre de forma abrupta gracias a un mecanismo de realimentación positiva. El estado de baja conductividad se obtiene cuando entre las regiones de ánodo y cátodo aparecen una o más barreras de energía que limitan la difusión normal de portadores que se da en un diodo sin modulación de bandas de energía. Estas barreras pueden ser inducidas por terminales de control adicionales, por cambios en el dopado entre ánodo y cátodo o por una combinación de ambas causas. El mecanismo de realimentación positiva tiene lugar como consecuencia de la difusión de portadores (huecos desde el ánodo y electrones desde el cátodo) que se introducen en el cuerpo y reducen las barreras. A unas condiciones de polarización determinadas, el proceso se vuelve inestable y la difusión de un portador (hueco por ejemplo) incrementa la difusión del otro tipo de portador (electrón en este caso) y viceversa dando lugar a un colapso en las barreras y a un aumento súbito en la conductividad.
El término “diodo por modulación de bandas de energía” o, por simplicidad en esta descripción,“diodo” hace referencia a un dispositivo que comprende una unión de materiales semiconductores de distinto tipo de dopado y/o diferente banda prohibida (band gap, en inglés) y presenta dos zonas de operación de conductividad muy diferentes, de forma que la transición entre dichas zonas de operación se produce de forma abrupta por la modulación de bandas de energía. Estos dispositivos pueden contener una o varias regiones espaciales con distinto dopado entre sus extremos siempre que el dispositivo presente finalmente dos zonas de operación con conductividad diferente.
A modo de ejemplo no excluyente, el término“diodo" comprende dispositivos con uniones tipo p-n (dopado aceptador junto a dopado donador), p-i-n (dopado aceptador junto a dopado donador con una región intrínseca entre ambas) y p-n-p-n (dopado aceptador, donador, aceptador y donador).
A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra " comprende " y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención.
A lo largo de este documento se empleará una notación que utiliza en símbolo como separador decimal.
Procedimiento de la Invención
En su primer aspecto, la presente invención se refiere a un procedimiento, en adelante “procedimiento de la invención para detectar partículas y radiación empleando un diodo por modulación de bandas de energía.
Concretamente, el procedimiento de la invención comprende detectar un cambio en el estado de conducción de un diodo por modulación de bandas de energía. Este cambio en el estado de conducción se produce por el impacto de una partícula (13, Figura 2) en la región (en adelante“ventana”, 15 en Figura 2) que no cubre/n el/los terminal/es de control superior/es, o bien o por la exposición de dicha ventana a una fuente de radiación electromagnética (14, Figura 2).
El solicitante ha comprobado mediante simulación asistida por ordenador que la interacción entre una partícula o radiación y la red cristalina del diodo por modulación de bandas de energía permite generar una carga (pares electrón-hueco) capaz de modificar el estado de conducción del dispositivo y por tanto permitiendo detectar el impacto o la incidencia de la radiación.
En una realización preferente, el procedimiento de la invención comprende una etapa previa de polarización del diodo, que permite modificar su sensibilidad y discriminar el tipo de partícula o radiación que se pretende detectar.
Etapa de polarización
Bajo condiciones de polarización adecuadas, un diodo por modulación de bandas de energía presenta unas características eléctricas singulares dónde destaca la presencia de dos regiones con conductividades muy diferentes.
Por un lado, la región de menor conductividad (16, Figura 3) se obtiene como consecuencia de las barreras de energía presentes en el cuerpo del dispositivo. Dichas barreras de energía se inducen con la polarización de control superior, FG, e inferior, BG, (2 y 8 en la Figura 1 , arriba), con la polarización de ambos terminales de control inferiores, BG y BG2 (2 y 10 en la Figura 1 , centro) o de forma independiente por el propio dopado del cuerpo del dispositivo (11 y 12 en la Figura 1 , abajo). Por otro lado, la región de mayor conductividad (17, Figura 3) se corresponde con la corriente del diodo cuando las barreras de energía se han colapsado. Dicho colapso de las barreras de energía ocurre debido a la presencia de carga (electrones y/o huecos en la región intrínseca). Dado que la conmutación entre ambas regiones ocurre como consecuencia de un proceso inestable de realimentación positiva, el cambio entre regiones es casi instantáneo (18 y 19, Figura 3).
Los criterios para seleccionar una polarización determinada atienden, en orden, al correcto funcionamiento como diodo por modulación de bandas de energía, la sensibilidad de detección y finalmente el consumo de potencia:
1) Para una operación de detección adecuada, el diodo por modulación de bandas de energía requiere estar polarizado en la región de baja conductividad (16, Figura 3). En una realización preferente, para lograr las barreras en las bandas de energía, se cumplirá:
a) La tensión de control superior VFG (20, Figura 4, arriba) habrá de ser nula o positiva mientras que la tensión de control inferior VBG (22, Figura 4, arriba) deberá ser nula o negativa.
b) La tensión de control inferior secundaria VBG2 (23, Figura 4, centro) ha de ser nula o positiva mientras que la tensión de control inferior VBG (22, Figura 4, centro) deberá ser nula o negativa.
c) Debido a su ausencia, no hay polarización de los terminales de control. Las barreras se inducen automáticamente gracias al dopado complementario de la región de cuerpo (1 1 y 12, Figura 1 , abajo).
Otras configuraciones (tensión y dopado) que den origen al estado de baja conductividad son asimismo posibles. El objetivo es bloquear la difusión de portadores, huecos desde el ánodo (24, Figura 5) y electrones desde el cátodo (25, Figura 5), mediante barreras de energía (26 y 27, Figura 5). Todo este proceso depende del propio diodo detector (geometría y arquitectura) así como de su distancia e inclinación hasta la fuente de radiación.
2) La tensión de ánodo VA (20, Figura 4) será positiva y siempre inferior a la tensión de disparo, VA<VON (18, Figura 3) y superior a la de corte, VA>VOFF (19, Figura 3). Donde VON y VOFF dependen de los materiales en el dispositivo, su dopado, la geometría, la temperatura y, de existir, las polarizaciones VFG, VBG y VBG2 (20, 22 y 23 respectivamente en la Figura 4). 3) La carga generada por la partícula o radiación incidente desplazará transitoriamente VON (18, Figura 3) hacia tensiones inferiores (VON se reduce). Eventualmente, este desplazamiento implicará que VA>VON haciendo conmutar el diodo por modulación de bandas de energía hacia la región de alta conductividad (17, Figura 3 y 28/29, Figura 5) y detectando la incidencia de la partícula o radiación.
4) Dado que una menor carga generada por la partícula o radiación se traduce en un menor desplazamiento de VON, con el fin de incrementar la sensibilidad del detector, VA se polarizará tan cerca de VON como se requiera sin llegar nunca a excederla.
5) En última instancia, se tratará de emplear la menor tensión posible en todos los terminales cumpliendo las condiciones anteriores para ahorrar energía.
El ajuste de polarización también permite una posible corrección ante una degradación debida al tiempo o al impacto previo de las partículas detectadas. Para esto, el procedimiento de la invención comprende, en otra realización preferente, una etapa de“puesta a cero”.
Etapa de reset o puesta a cero
Con objeto de reiniciar las condiciones de detección tras la incidencia de una partícula o radiación, el detector ha de recuperar sus condiciones iniciales evacuando el exceso de carga. Para ello se cambia la polarización del diodo para que la tensión de ánodo VA (21 , Figura 4) sea menor que VOFF, por ejemplo nula.
Para acelerar el proceso, las tensiones de control superior y/o inferior/es VFG, VBG y VBG2 (20, 22 y 23 respectivamente en la Figura 4) también pueden hacerse nulas simultáneamente.
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Como etapa inicial previa al uso como detector del diodo por modulación de bandas de energía, se contempla una etapa de calibración en la que se ajustarán finalmente las tensiones de cada terminal. Dicho proceso de calibrado (esquematizado en la Figura 6) tiene como fin último la caracterización DC (del inglés“direct current’) del dispositivo de la invención para extraer el rango de tensiones útiles del dispositivo. Para ello se monitorizará la característica corriente-voltaje en el ánodo, en adelante IA-VA (Figura 3):
1) Dependiendo de la implementación final, se habrán de definir inicialmente las tensiones VFG, VBG y VBG2 (20, 22 y 23 respectivamente en la Figura 4) que correspondan en cada caso, cumpliendo siempre con las condiciones de polarización antes descritas. 2) Se extraerá la curva -VA en sentido ascendente (desde 0 hasta superar la tensión de disparo del diodo) y descendente (hasta que la corriente vuelva a ser la del nivel de baja conductividad) dando lugar a las tensiones VON y VOFF (18 y 19, Figura 3).
3) Conocidas las tensiones características, se procede a irradiar el dispositivo de la invención con la fuente de partículas o radiación que se desea detectar. Es importante ajustar la dosis y energía de la fuente al valor mínimo que se pretende detectar así como su distancia y ángulo de emisión. El diodo por modulación de bandas de energía detectará a partir de ese umbral.
4) A continuación comienza un proceso iterativo donde se incrementa VA desde VOFF gradualmente (sin exceder VON) hasta conseguir que el dispositivo de la invención conmute. Dos casos alternativos se presentan:
a) El dispositivo conmuta para VOFF<VA<VON. La tensión de ánodo a la que conmuta será la empleada y la calibración concluye.
b) El diodo no conmuta satisfaciendo VOFF<VA<VON. El diodo, en su configuración actual no permite la detección de dicha fuente de partículas o radiación. Se puede variar la polarización del dispositivo volviendo al paso 1 de la calibración. De no existir una polarización válida, se propone la sustitución del diodo con otro con una geometría diferente con mayor sensibilidad.
Se contempla la posibilidad de que el proceso de puesta a cero y de calibrado se realicen de forma manual o automática, en este último caso comprendiendo el objeto de la invención también todos los elementos software y hardware necesarios para dicho fin.
En caso de que el diodo no contase con terminales de control superior e inferior (Figura 1 , abajo), no existe un método de calibración y el ajuste de la sensibilidad se lleva a cabo durante la fabricación, modulando los niveles de dopado del diodo.
La sensibilidad del diodo depende de la polarización y de la arquitectura y geometría del mismo. En general se cumple que la sensibilidad se incrementa cuando:
• VA tiende a VON. La concentración de carga para abatir las barreras se reduce haciendo al dispositivo más sensible.
• La longitud del terminal de control superior (cuando ésta existe) se reduce. La generación ante la incidencia de una partícula o radiación decae con la distancia. Reduciendo la longitud de del terminal de control se incrementan las posibilidades de generar carga bajo el mismo para facilitar el colapso de las barreras. • El espesor de la zona sin cubrir por el terminal de control superior se incrementa.
En una realización preferente, el procedimiento de la invención comprende las siguientes etapas:
Etapa de calibración.
Etapa de detección, que a su vez comprende:
1) Puesta a cero.
2) Aplicar las tensiones de polarización obtenidas durante la calibración.
3) Monitorizar la corriente del diodo por modulación de bandas de energía: a) Si la corriente es baja, no hay fuente de partículas o radiación incidiendo en el dispositivo o su sensibilidad no es lo suficientemente baja.
b) Si la corriente aumenta, se ha detectado una fuente de partículas o radiación.
Dependiendo del tipo y dosis de radiación se pueden llegar a producir defectos en la red cristalina del diodo induciendo degradación en la detección. Por tanto es posible tener que realizar la calibración tras cada etapa de detección o no.
Dispositivo de la Invención
El segundo objeto de la presente invención es un dispositivo para la detección de partículas y/o radiación, en adelante“dispositivo de la invención” que comprende al menos un diodo por modulación de bandas de energía.
Adicionalmente, el dispositivo comprende medios para la detección de los niveles de corriente mediante amplificadores, comparadores y su circuitería asociada, así como la misma para la alimentación del sensor.
En una realización preferente, al menos un diodo, preferentemente todos los diodos comprendidos en el dispositivo de la invención, es un diodo planar.
En otra realización particular, el diodo comprendido en el dispositivo de la invención está confeccionado en tecnología tridimensional tipo FinFET, transistor tri-gate o nanohilos de cualquier tamaño y relación de aspecto.
Del mismo modo, aunque la estructura del diodo se fabricará empleando principalmente silicio, se puede confeccionar de forma equivalente con otros materiales semiconductores como pueden ser elementos de los grupos lll-V o ll-VI (homoestructuras y heteroestructuras) u otros materiales bidimensionales como grafeno o TMDs (del inglés“transition metal dichalcogenide monolayers”) o combinación de los anteriormente mencionados.
En una realización particular, el dispositivo de la invención comprende al menos un diodo polarizado.
Como se ha explicado anteriormente, el diodo se polariza para que esté siempre funcionando como detector. Como en dicho estado, el diodo presenta baja conductividad, no hay corriente o ésta es muy pequeña, y por tanto no hay consumo de potencia o éste es mínimo. Una vez que se genera la carga debido al impacto de una partícula o a la exposición ante una fuente de radiación, el dispositivo conmuta y presenta una corriente alta.
El comportamiento del dispositivo ante el impacto de una partícula altamente energética depende de la polarización. Se observa como atendiendo a la polarización de ánodo (30, Figura 7) el impacto de la partícula permite hacer conmutar el dispositivo. Si la tensión de ánodo (21 , Figura 4) es inferior a VOFF (19, Figura 3) o superior a VON (18, Figura 3), el dispositivo de la invención nunca alcanza (32, Figura 7) o siempre se encuentra (34, Figura 7) en la región de alta conductividad (17, Figura 3), respectivamente, y no funciona como detector de radiación. Solo en la región intermedia el dispositivo puede funcionar detectando la incidencia de radiación por partículas u ondas electromagnéticas (33, Figura 7). Tras la detección, el estado inicial del detector se puede reestablecer de nuevo eficientemente con una operación de puesta a cero (31 , Figura 7) de forma sencilla y rápida.
La generación de carga se propaga por todo el dispositivo (Figura 8). Dado que la conmutación está controlada principalmente por la carga presente en el cuerpo, al reducir sus dimensiones, se mejora tanto la sensibilidad (más carga) como su integración (más pequeño).
En una realización preferente, las dimensiones del diodo detector empleado en el dispositivo de la invención están comprendidas entre 10 mieras hasta 50 nanómetros de longitud. La anchura del dispositivo es asimismo altamente configurable variando entre configuraciones con 50 nanómetros hasta 100 mieras.
Del mismo modo aumentando el espesor del silicio en la zona sin cubrir por el terminal de control se consigue aumentar la energía que la partícula cede generando más carga y por lo tanto mejorando la sensibilidad. Así, en una realización preferente, el silicio de la zona sin terminal de control superior del diodo detector empleado en el dispositivo de la invención tiene un espesor de entre 5 y 100 nanómetros. En la zona cubierta por el terminal de control superior, el espesor oscila entre 5 y 20 nanómetros. Otras dimensiones y geometrías a las anteriormente mencionadas son asimismo posibles.
El ángulo de incidencia de la radiación sobre la superficie del detector puede ser utilizados como ajuste de la sensibilidad, por lo que en otra realización preferente, el dispositivo de la invención comprende los medios (mecanismos y elementos) necesarios para poder ajustar dicho ángulo.
Por otro lado, la distancia entre fuente y detector pueden ser utilizados como ajuste de la sensibilidad, por lo que en otra realización preferente, el dispositivo de la invención comprende los medios (mecanismos y elementos) necesarios para poder ajustar dicha distancia.
Los medios empleados pueden permitir llevar a cabo estos ajustes (ángulo y distancia) de forma manual o automática y de forma presencial y remota.
En otra realización preferente, el dispositivo comprende los terminales (metales y vías) necesarias para una adecuada aplicación de las tensiones necesarias para la polarización y su correcto funcionamiento. Además de esto se puede contemplar el uso de potenciómetros regulables de forma que su sensibilidad puede ser ajustada con la polarización in situ. Esto permite ajustar el sensor para optimizar la detección en función de la partícula o radiación que se quiera detectar / discriminar el tipo de partícula o radiación que detecta.
Este ajuste de polarización también permite una posible corrección ante una degradación debida al tiempo o al impacto previo de las partículas detectadas.
En otra realización particular, el dispositivo de la invención comprende una pluralidad de diodos detectores con iguales o diferentes sensibilidades.
Se contemplan distintas posibilidades o una combinación de las mismas:
• Detector de posición: una matriz con detectores idénticos permitirá, una vez calibrados y ajustados a la fuente de radiación a detectar, identificar el/los lugar/es de incidencia.
• Identificación de la fuente: una matriz con detectores con diferente sensibilidad, una vez calibrados a diferentes dosis o fuentes de radiación, permite acotar la energía, por tanto la naturaleza, de la partícula/radiación en base a qué detectores conmutan o no. La implementación física de la matriz de detectores atiende a cualquier estructura bidimensional o tridimensional para optimizar la detección.
Modo de operación
Para llevar a cabo del procedimiento de la invención mediante el dispositivo de la invención, se llevarán a cabo los siguientes pasos:
• Mediante uno o varios dispositivos adecuados, preferentemente fuentes de tensión estable, ya sean pilas o baterías para implementar un detector portátil o una fuente de alimentación conectada a la red, se procederá a realizar la etapa de calibración del dispositivo anteriormente descrita en función de la radiación a detectar. La inclinación, distancia y los valores de polarización serán conocidos desde este momento.
• Una vez calibrado, la corriente del detector será monitorizada para discernir posibles cambios hacia un nivel de corriente muy superior, en cuyo caso la detección es positiva y se ha de indicar por medio de señales de cualquier tipo (ópticas, acústicas o eléctricas entre otras).
• Para finalizar, se realiza la puesta a cero del detector para estar preparando ante una nueva detección.
Este proceso es ampliable a una multitud de sensores, en cuyo caso la calibración se ha de realizar individualmente o en conjunto para una o diferentes fuentes de radiación con una o varias intensidades.
MODOS DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
Para comprobar la viabilidad de la invención (Figuras 9-12) se ha simulado con ordenador un diodo por modulación de bandas de energía con un terminal de control superior. La longitud total es de 400 nanómetros (repartidos por igual entre la zona cubierta o no por el terminal de control) y una anchura de 100 nanómetros. Los espesores son de 22 nanómetros en la parte sin terminal de control superior y de 7 nanómetros en el resto. El perfil de dopado se corresponde con un diodo p-i-n (las concentraciones son, respectivamente, de (p) boro «1021 cnr3, (i) boro 1016 cnr3 y (n) arsénico «1021 cnr3). La calibración comienza fijando las tensiones para inducir las barreras de energía y permitir el estado de baja conducción. Se elige VFG = 1.2 V y VBG = -1 V con VK = 0 V. A continuación se extrae la curva IA-VA para obtener los valores VON y VOFF (Figura 9).
Una vez conocidas las tensiones útiles de ánodo (aquellas comprendidas entre VON y VOFF) se estudia el comportamiento ante la incidencia de una partícula cargada. La Figura 10 ilustra la respuesta temporal del detector ante el impacto de una partícula en t=0.02 s y su posterior puesta a cero en t=0.1 s para diferentes tensiones de ánodo (VA). En esta realización, la partícula incidente representa cualquier conjunto de una o varias partículas cuyo coeficiente LET (del inglés“linear energy transfer”), definido como la cantidad de energía que la partícula cede por unidad de longitud dE/dx, en silicio sea de «13 keV/mGh.
Se observa cómo, tras el impacto, el nivel de corriente es bajo si VA<VOFF (VA = 0.7 V) o no cambia si VA>VON (VA= 1 .1 V). Solo cuando VOFF < VA < VON (VA = 0.8, 0.9 y 1.0 V) el dispositivo conmuta indicando el impacto de una partícula. Finalmente se aprecia cómo la puesta a cero (en t=0.1 s) permite recuperar las corrientes iniciales. Durante el proceso de calibrado se habría incrementado VA de forma gradual hasta alcanzar la conmutación.
La Figura 11 muestra la corriente de ánodo tras el impacto de la partícula para diferentes LET y tensiones de ánodo. Se aprecia como la sensibilidad aumenta (se requiere menor LET) para conmutar a medida que VA tiende a VON. La figura 12 ilustra la dependencia de la carga generada bajo el terminal de control superior en función de la longitud de dicho terminal. Al reducir la longitud, la carga que la partícula genera en la zona sin terminal de control alcanza más efectivamente la región bajo el contacto permitiendo abatir las barreras de energía más fácilmente.

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Procedimiento para detectar partículas y radiación que comprende la detección de un cambio en el estado de conducción de un diodo por modulación de bandas de energía.
2.- Procedimiento, según reivindicación anterior, que comprende la polarización previa del diodo.
3.- Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una etapa, tras la detección de una partícula o una radiación, en la que se cambia la polarización del diodo para que la tensión del ánodo sea nula.
4 Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende las siguientes etapas:
Etapa de calibración.
Etapa de detección, que a su vez comprende:
Cambiar la polarización del diodo para que la tensión de ánodo sea menor que de corte, preferentemente, anular las tensiones de control superior y/o inferior/es simultáneamente.
- Aplicar las tensiones de polarización obtenidas durante la calibración.
Monitorizar la corriente del diodo por modulación de bandas de energía:
o Si la corriente es baja, no hay fuente de partículas o radiación incidiendo en el dispositivo o su sensibilidad no es lo suficientemente baja
o Si la corriente aumenta, se ha detectado una fuente de partículas o radiación. Tras la detección se procede a la puesta a cero del dispositivo para una nueva detección.
5.- Dispositivo para la detección de partículas y/o radiación, que comprende al menos un diodo por modulación de bandas de energía.
6.- Dispositivo según la reivindicación anterior caracterizado por que al menos un diodo es planar.
7.- Dispositivo según la reivindicación 5 caracterizado por que al menos un diodo está confeccionado en tecnología tridimensional.
8.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, caracterizado por que al menos un diodo está polarizado.
9.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 8, caracterizado por que las dimensiones de al menos un diodo están comprendidas entre 50 nanómetros y 10 mieras de longitud y entre 50 nanómetros y 100 mieras de anchura.
10.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 9, caracterizado por el silicio de la zona sin terminal de control de al menos un diodo tiene un espesor comprendido entre 5 y 100 nanómetros. El espesor de la región bajo el terminal de control superior oscila entre 5 y 20 nanómetros.
1 1.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 10, que además comprende medios para poder ajustar el ángulo de incidencia de la radiación sobre la superficie del detector que no se encuentra cubierta por un terminal de control superior.
12.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 11 , que además comprende medios para poder ajustar la distancia entre fuente y el detector.
13.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 12, que además comprende potenciómetros regulables dispuestos de forma que su sensibilidad puede ser ajustada con la polarización.
14.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 13, que comprende una pluralidad de diodos con diferentes sensibilidades.
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CN108807567A (zh) * 2018-08-20 2018-11-13 中国科学院上海技术物理研究所 一种可调制表面能带的碲镉汞雪崩二极管探测器

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