專(zhuān)利名稱(chēng)：具有增強(qiáng)的電荷搜集功能的半導(dǎo)體輻射探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種探測(cè)電離輻射的器件和方法，更具體地講是涉及用于降低低能拖尾效應(yīng)的、具有增強(qiáng)的電荷搜集功能的半導(dǎo)體輻射探測(cè)器。
高阻半導(dǎo)體輻射探測(cè)器由于其室溫工作能力、較小的尺寸和長(zhǎng)壽命、以及半導(dǎo)體器件固有的其它特性，被廣泛地用于探測(cè)電離輻射。該探測(cè)器的應(yīng)用范圍十分廣泛，包括醫(yī)療診斷成像、核廢料監(jiān)測(cè)、工業(yè)過(guò)程監(jiān)測(cè)和太空天文學(xué)。電離輻射包括粒子輻射，例如α或β粒子，和電磁輻射，例如γ或x射線。
普通的半導(dǎo)體輻射探測(cè)器一般稱(chēng)為“平面型”探測(cè)器。如

圖1A所示，這種平面型探測(cè)器100的結(jié)構(gòu)通常由一塊半導(dǎo)體晶體102構(gòu)成，其中金屬覆蓋在板的兩個(gè)相對(duì)表面上，構(gòu)成兩個(gè)電極，陰極104和陽(yáng)極106。在一種結(jié)構(gòu)中，陽(yáng)極106與外部信號(hào)控制電路108和地110相連，陰極104與外部電壓源111相連。電極104和106上的偏置電壓產(chǎn)生內(nèi)部電場(chǎng)。由半導(dǎo)體晶體板102吸收的電離輻射112在半導(dǎo)體晶體102內(nèi)部產(chǎn)生的電子云和空穴云分別流向陽(yáng)極106和陰極104。這些移動(dòng)的電子云和空穴云在外部電路111中產(chǎn)生電荷-脈沖信號(hào)。
如果電離輻射112產(chǎn)生的電子和空穴全部到達(dá)它們各自的電極(即，電子到達(dá)陽(yáng)極106，空穴到達(dá)陰極104)，那么輸出的電荷信號(hào)將精確地等價(jià)于由分布在晶體102內(nèi)部的能量而來(lái)的電荷。因?yàn)榉植茧姾烧扔陔婋x輻射112的能量，所以半導(dǎo)體輻射探測(cè)器100提供了一種測(cè)量電離輻射112的能量的裝置。對(duì)該能量的測(cè)量能力是輻射探測(cè)器的一項(xiàng)重要功能。
然而，平面型輻射探測(cè)器具有嚴(yán)重的缺陷由于半導(dǎo)體晶體102體材料的輸運(yùn)特性的限制，在流向它們各自電極的過(guò)程中，部分電子和空穴會(huì)因?yàn)榉@效應(yīng)而損失掉。因此，輸出電荷信號(hào)的幅度取決于在晶體中發(fā)生電離輻射吸收的位置。通常，幅度小于電離輻射產(chǎn)生的電荷，這導(dǎo)致能量測(cè)量精度下降，以及分辨率較低和峰值效率下降。輻射探測(cè)器中的這種損失(或俘獲)導(dǎo)致稱(chēng)為“低能拖尾(Low-energytrailing)”的非對(duì)稱(chēng)譜峰形狀。
如上所述，在半導(dǎo)體輻射探測(cè)器中，當(dāng)電離現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，電子流向陽(yáng)極106，空穴流向陰極104。在陰極104面對(duì)輻射源的典型實(shí)驗(yàn)裝置中，許多電離現(xiàn)象發(fā)生在積累時(shí)期，然后檢測(cè)到所產(chǎn)生的電荷信號(hào)脈沖，并顯示在直方圖上。在無(wú)低能拖尾的理想探測(cè)器中，所有的脈沖均比例于電離輻射112的能量。這將產(chǎn)生類(lèi)似于圖2的直方圖，其中縱坐標(biāo)為每個(gè)通道的計(jì)數(shù)，橫坐標(biāo)為電荷信號(hào)脈沖幅度。如圖2所示，能量直方圖沒(méi)有拖尾效應(yīng)，這是因?yàn)槟芰糠?或光峰)202是單能級(jí)E處的一條垂直線，能級(jí)E等于電離輻射112的能級(jí)。因此，所有的電荷信號(hào)脈沖幅度均等于電離輻射112的能級(jí)E，在任何脈沖中均沒(méi)有電荷損耗。
圖3中的曲線A和B示例了在非理想探測(cè)器中的低能拖尾的兩個(gè)假設(shè)情況。曲線A表示如果電離輻射在晶體內(nèi)部被均勻地吸收，即晶體吸收系數(shù)極低的情況，所產(chǎn)生的直方圖分布。曲線B表示更加典型的情況，其中吸收在陰極附近很大，隨著電離現(xiàn)象的發(fā)生位置在晶體內(nèi)部沿著遠(yuǎn)離陰極的方向移動(dòng)，吸收呈指數(shù)下降。在曲線A和B中，存在一個(gè)與電荷的完全搜集(幅度為E)相對(duì)應(yīng)的最大信號(hào)302和明顯的低能“拖尾”304、306。
圖4表示由鎘-鋅-碲(CdZnTe)制作的實(shí)際半導(dǎo)體輻射探測(cè)器在鈷-57(57Co)輻射源產(chǎn)生的γ射線的照射下所具有的、帶有明顯低能拖尾的能量直方圖。該探測(cè)器的面積為6.1毫米×6.1毫米，厚度為3毫米。偏置電壓為-500伏特。圖4中的曲線分布有電子噪聲，這是在畫(huà)圖3的假設(shè)曲線時(shí)沒(méi)有考慮到的一種效應(yīng)。與圖3所示的曲線A和B一樣，圖4的直方圖中具有明顯的低能拖尾404。
因?yàn)榘雽?dǎo)體探測(cè)器中的低能拖尾效應(yīng)是有害的，所以必須努力去解決該問(wèn)題。減小半導(dǎo)體探測(cè)器拖尾效應(yīng)的一種方法是降低信號(hào)脈沖-電荷幅度對(duì)電離輻射吸收位置的依賴(lài)程度。從原理上講，這可以通過(guò)想辦法將該區(qū)域限制在較小的范圍內(nèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在該區(qū)域內(nèi)電極前面的電荷云在電極上感應(yīng)出電荷。如果實(shí)現(xiàn)了上述想法，電離現(xiàn)象產(chǎn)生的電荷云幾乎不會(huì)在電極上感應(yīng)出電荷，除非它非?？拷姌O，之后電荷云基本上在該電極上感應(yīng)出全部的電荷。該方法對(duì)于半導(dǎo)體是特別有用的，在半導(dǎo)體中，一種類(lèi)型載流子(例如電子)的輸運(yùn)特性要優(yōu)于另一種類(lèi)型的載流子(例如空穴)。輸運(yùn)特性可以用“遷移率-壽命乘積”表示。一種類(lèi)型載流子(例如空穴)和另一種類(lèi)型載流子(例如電子)的輸運(yùn)特性之比用“遷移率-壽命-乘積比”表示。因此，上述的普通方法對(duì)于所有的遷移率-壽命-乘積比均是適用的，但是它特別適用于比率較大的半導(dǎo)體，該比率由較大的遷移率-壽命-乘積除以較小的遷移率-壽命-乘積。遷移率-壽命-乘積大于10的半導(dǎo)體包括鎘-鋅-碲、鎘-碲和水銀-碘化物。
利用上述方法來(lái)減小低能拖尾效應(yīng)的早期嘗試使用了具有半球形結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體探測(cè)器。見(jiàn)，例如H.L.Malm et al.，“Gamma-RaySpectroscopy with Single-Carrier Collection in High ResistivitySemiconductors”，Appl.Phys.Lett.，vol.26，at 344-46(1975)。在Malm的探測(cè)器中，很大的鎘-碲球形表面鍍以金屬制成陰極。陽(yáng)極形成一個(gè)位于半球水平截面中心的小圓形。電極上的電壓形成一個(gè)內(nèi)部電場(chǎng)，其強(qiáng)度由陰極附近的較低值變化到小陽(yáng)極附近的較高值。因此，電力線集中在球心附近。這種電場(chǎng)集聚的結(jié)果是陽(yáng)極附近電子的移動(dòng)速度要比探測(cè)器其余部分的電子的移動(dòng)速度快得多。因?yàn)殛?yáng)極上感應(yīng)出的電荷反比于電荷云與陽(yáng)極間距離的平方，所以當(dāng)電荷云處于陽(yáng)極附近時(shí)，可以感應(yīng)出絕大部分的電荷。因此，單電荷脈沖幅度相對(duì)地對(duì)探測(cè)器中發(fā)生電離現(xiàn)象的位置不敏感。
然而，Malm方法具有一些缺點(diǎn)。首先，盡管能量分辨率高于平板型探測(cè)器，但是仍具有顯著的拖尾效應(yīng)。第二，制作半圓形結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體晶體是困難的，因此成本很高。第三，該結(jié)構(gòu)不能用于單片式探測(cè)器陣列結(jié)構(gòu)。因此，該探測(cè)器基本上沒(méi)有得到商業(yè)應(yīng)用。
第二種方法利用平板型結(jié)構(gòu)降低拖尾效應(yīng)，在該結(jié)構(gòu)中，將陽(yáng)極分為兩部分，一部分是直徑為0.5毫米的圓，另一部分是環(huán)繞該圓的圓環(huán)，其電壓與圓相同，陰極覆蓋在另一面。見(jiàn)，例如F.P.Doty，et al.，“Pixilated CdZnTe Detector Arrays”Nucl.Instruments &Methods in Physics Research，vol.A 353，at 356-60(1994)。電子云感應(yīng)出的電荷由小圓和圓環(huán)共享，這樣，圓上感應(yīng)出的電荷很小，除非電荷十分靠近圓。然后，在可與象素(pixel)尺度相比的范圍內(nèi)，全部電荷均在圓上感應(yīng)出來(lái)。
第二種方法也具有顯著的缺陷，因?yàn)樗乃鸭屎艿?。這是因?yàn)橹荒芩鸭秸迷谛￡?yáng)極上方的電荷云。
第三種方法利用了這樣一種結(jié)構(gòu)，其中平板型CdZnTe探測(cè)器的陽(yáng)極被分割為非常小的獨(dú)立的探測(cè)器(象素)陣列，陰極仍是單個(gè)的、連續(xù)的電極。見(jiàn)，H.Barret，el al.，“Charge Transport in Arrays ofSemiconductor Gamma-Ray Detectors”，Phys.Rev.Let(印刷中)。這里，每個(gè)象素均與外部控制電路相連。電子云感應(yīng)出的電荷由各象素共享，并且該電荷在任一特定的象素上都很小，除非電荷非常靠近該象素。
然而，第三種方法也具有顯著的局限性。第一，它只適用于非常小的象素陣列。因此，該方法不能用于單體探測(cè)器。其次，該方法不能用于象素尺寸為毫米量級(jí)或更大的探測(cè)器陣列，例如核醫(yī)療成像器中的探測(cè)器陣列。
第四種方法利用了呈交錯(cuò)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的陽(yáng)極，陰極仍為平板形。見(jiàn)，例如，P.N.Luke，“Unipolar Charge Sensing with Co-PlanarElectrodes-Application to Semiconductor Detectors”IEEE Tran.Nucl.Science，vol.42，No.4，at 207-213(1995)。在Luke方法中，一組陽(yáng)極網(wǎng)格的電壓稍稍高于另一組。一列信號(hào)控制電路與一組網(wǎng)格相連，各列輸出信號(hào)間的差異構(gòu)成最終的輸出信號(hào)。采用這種結(jié)構(gòu)，當(dāng)電荷云遠(yuǎn)離網(wǎng)格時(shí)，網(wǎng)格輸出間的差值信號(hào)為零。隨著電荷云靠近網(wǎng)格，在一個(gè)網(wǎng)格上感應(yīng)出的電荷迅速上升，而另一網(wǎng)格上感應(yīng)出的電荷迅速下降。因此，可以利用差異信號(hào)測(cè)量電子云中的全部電荷，而與發(fā)生電離現(xiàn)象的位置無(wú)關(guān)。
然而，Luke方法也具有一些缺點(diǎn)。首先，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)相對(duì)地較復(fù)雜，即使可能，也很難在探測(cè)器陣列中使用。第二，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)需要兩個(gè)獨(dú)立的放大鏈路以及不同的放大器，這將顯著地增加產(chǎn)品的復(fù)雜性和成本。該電路也很難應(yīng)用于探測(cè)器陣列結(jié)構(gòu)所需的多通道集成電路。
最后一種減小低能拖尾效應(yīng)的方法暗含在硅漂移腔中。見(jiàn)，例如，E.Gatti & P.Rehak，“Semiconductor Drift Chamber-AnApplication of Novel Charge Transport Scheme”Nucl.Inst.&Methods in Physics Research，vol.225，at 608-614(1984)。半導(dǎo)體漂移腔所依據(jù)的原理如下，在其兩個(gè)表面之間嵌有整流結(jié)的、薄的、大面積半導(dǎo)體晶片可以通過(guò)小的陽(yáng)極觸點(diǎn)而處于完全耗盡狀態(tài)。耗盡電場(chǎng)將電離粒子產(chǎn)生的電子限制在與其表面平行的埋藏電勢(shì)溝道中。平行于表面的靜電場(chǎng)(漂移電場(chǎng))獨(dú)立地疊加在電子上，并使電子沿著掩埋電勢(shì)溝道向搜集電極移動(dòng)。另外，搜集電極的電容極低且獨(dú)立于探測(cè)器的有源區(qū)。應(yīng)當(dāng)指出，漂移腔可以由各種半導(dǎo)體制作。利用300微米厚的高阻(104至105歐姆-厘米)硅晶片成功地實(shí)現(xiàn)了上述漂移腔。該漂移腔在粒子物理學(xué)中用作高分辨率的位置探測(cè)器。
硅漂移腔方法也具有幾個(gè)缺點(diǎn)。首先，整流結(jié)觸點(diǎn)必須用來(lái)產(chǎn)生耗盡電場(chǎng)和漂移電場(chǎng)。由于結(jié)觸點(diǎn)擊穿電壓的限制，可用的電壓幅度是有限的。因此，這就限制了可以用作漂移探測(cè)器的晶片的厚度。第二，為了在狹窄的溝道內(nèi)部有效地輸運(yùn)電荷，必須采用均勻的漂移溝道。為了在晶片上產(chǎn)生這種均勻的漂移電場(chǎng)，需要大量的、具有精確控制的固定電壓的結(jié)觸點(diǎn)。這顯著地增加了制作成本和使用探測(cè)器的復(fù)雜性。第三，因?yàn)樘綔y(cè)器厚度和所用半導(dǎo)體材料的低Z值(～14)的限制，對(duì)于能量高于10至20KeV的x射線和γ射線，其探測(cè)效率相當(dāng)?shù)汀?br> 硅探測(cè)器和高阻材料制作的探測(cè)器，例如CdTe和CdZnTe，均在信號(hào)電極周?chē)捎昧恕氨Ｗo(hù)環(huán)”。保護(hù)環(huán)通常保持在與信號(hào)電極相同的電位，主要用于防止由探測(cè)器邊緣而來(lái)的暗電流到達(dá)信號(hào)電極，由此，防止了測(cè)量信噪比的降低。保護(hù)環(huán)不會(huì)顯著地降低半導(dǎo)體探測(cè)器中出現(xiàn)的低能拖尾效應(yīng)。
因此，需要減小半導(dǎo)體輻射探測(cè)器的低能拖尾效應(yīng)，同時(shí)避免普通輻射探測(cè)器所具有的缺點(diǎn)和不足。本發(fā)明提供了一種這樣的輻射探測(cè)器。
本發(fā)明涉及一種探測(cè)由源輻射出的電離輻射的器件和方法。電離輻射可以是高能光子，包括γ射線和x射線，或者帶電粒子，包括β粒子和α粒子。然而，應(yīng)當(dāng)清楚的是，本發(fā)明可用于探測(cè)任何類(lèi)型的電離輻射。
本發(fā)明利用了如下原理，即采用新穎的電極配置可以顯著地降低半導(dǎo)體探測(cè)器中的低能拖尾效應(yīng)，這些電極共享由探測(cè)器中的電離現(xiàn)象感應(yīng)出的電荷，產(chǎn)生適當(dāng)?shù)碾妶?chǎng)，并將電荷搜集集中于小電極。在制作利用該原理的半導(dǎo)體輻射探測(cè)器的過(guò)程中，本發(fā)明利用了具有新穎的三電極配置的探測(cè)器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有效地消除了拖尾效應(yīng)，同時(shí)兼有高搜集效率。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種能量探測(cè)范圍可以從幾KeV到幾百KeV的輻射探測(cè)器。該探測(cè)器包括三個(gè)制作在半導(dǎo)體晶體表面上的電極，晶體具有多個(gè)側(cè)面，它的優(yōu)選厚度為至少0.5毫米，優(yōu)選地由具有高遷移率-壽命比率的半導(dǎo)體材料制作。第一電極是偏置電極，優(yōu)選地全部覆蓋晶體的一個(gè)側(cè)面。優(yōu)選地，至少一個(gè)小面積信號(hào)電極制作在與偏置電極相對(duì)的晶體側(cè)面上。控制電極優(yōu)選地與信號(hào)電極制作在同一側(cè)面上。
具體地講，在本發(fā)明中，控制電極和信號(hào)電極(或陽(yáng)極)制作在半導(dǎo)體晶體的同一側(cè)面上，而偏置電極基本上全部覆蓋了與其相對(duì)的晶體側(cè)面。優(yōu)選地，半導(dǎo)體晶體由CdZnTe或CdTe制備。在最簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)中，陽(yáng)極是一個(gè)位于晶體的電子-電荷-搜集側(cè)面中心附近的小觸點(diǎn)。陽(yáng)極與外部信號(hào)電路相連，并經(jīng)高阻電阻器連接到地。陰極與電壓源相連，該電壓源使陰極保持在相對(duì)于陽(yáng)極為負(fù)的電位。優(yōu)選地，控制電極的面積遠(yuǎn)大于陽(yáng)極，并形成一個(gè)環(huán)繞陽(yáng)極的單環(huán)?？刂齐姌O保持在相對(duì)于陽(yáng)極為負(fù)的電位，但通常不低于陰極電位。
該結(jié)構(gòu)可以在測(cè)量電離輻射能量時(shí)顯著地消除低能拖尾效應(yīng)。當(dāng)輻射探測(cè)器吸收電離輻射時(shí)，將產(chǎn)生會(huì)在所有電極上感應(yīng)出電荷的電荷云。各個(gè)電極上感應(yīng)出的電荷量是電荷云與電極的間距以及電極面積的函數(shù)。由于其尺寸較小，陽(yáng)極上的電荷很少，除非電荷云離陽(yáng)極很近。另外，控制電極有助于改變電場(chǎng)的模式，以使電子云向陽(yáng)極聚集。盡管電子云移向陽(yáng)極，陽(yáng)極上感應(yīng)出的電荷仍舊很少，而控制電極上的電荷確逐漸積累起來(lái)，直到電荷云與陽(yáng)極的間距與陽(yáng)極尺寸處于同一量級(jí)為止。然后，陽(yáng)極上的電荷迅速地增加，并達(dá)到電荷云的最大值，而控制電極上的電荷迅速地下降到零?？昭姾稍葡蜿帢O漂移，遠(yuǎn)離陽(yáng)極，半導(dǎo)體中的空穴俘獲效應(yīng)主要通過(guò)控制電極和陰極觀察。因此，信號(hào)電荷，即陽(yáng)極上感應(yīng)出的積累電荷，基本上等于全部電子電荷云感應(yīng)出的電荷，而與其產(chǎn)生位置無(wú)關(guān)。消除信號(hào)與電離現(xiàn)象發(fā)生位置之間的依賴(lài)關(guān)系可以有效地消除低能拖尾效應(yīng)。
利用電荷云和電極之間的電容以及電極間的電容，可以從概念上理解陽(yáng)極與控制電極之間的感應(yīng)電荷共享，以及在各個(gè)電極上感應(yīng)電荷的建立和減少。
小陽(yáng)極的另一個(gè)好處是建立在陽(yáng)極附近使電荷云加速的電場(chǎng)集聚。該電場(chǎng)集聚可以由施加到控制電極的電壓增強(qiáng)。當(dāng)電荷云從其生成位置向陽(yáng)極移動(dòng)時(shí)，在任意小的時(shí)間增量?jī)?nèi)，陽(yáng)極上感應(yīng)出的電荷部分是移動(dòng)速度的函數(shù)。在陽(yáng)極附近，該速度在電場(chǎng)集聚的作用下顯著地增加，結(jié)果，在與陽(yáng)極很近的范圍內(nèi)陽(yáng)極上感應(yīng)出的電荷占總電荷的比例較大。因此，電場(chǎng)集聚可以進(jìn)一步降低信號(hào)電荷對(duì)電荷云產(chǎn)生位置的依賴(lài)性。
陽(yáng)極附近的電場(chǎng)集聚在外部電路中產(chǎn)生更快的上升-時(shí)間脈沖，以及脈沖之間的、更加一致的上升-時(shí)間。這對(duì)于降低由脈沖上升-時(shí)間導(dǎo)致的任何放大增益差異均是有益的。
本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的細(xì)節(jié)將在附圖和下面的說(shuō)明中陳述。一旦了解了本發(fā)明的細(xì)節(jié)，各種其它的革新和修改對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員均是顯然的。
圖1是現(xiàn)有技術(shù)平面型輻射探測(cè)器的剖面圖。
圖2是理想輻射探測(cè)器的能量脈沖直方圖，其中縱坐標(biāo)為每通道的計(jì)數(shù)，橫坐標(biāo)為電荷信號(hào)脈沖幅度。
圖3是兩種不同輻射探測(cè)器的能量直方圖，其中曲線A表示如果電離輻射在整個(gè)半導(dǎo)體晶體內(nèi)被均勻地吸收而產(chǎn)生的直方圖，曲線B表示如果吸收在陰極附近較大，隨著電離現(xiàn)象沿遠(yuǎn)離陰極的方向移動(dòng)吸收呈指數(shù)下降而導(dǎo)致的直方圖。
圖4是實(shí)際的現(xiàn)有技術(shù)CdZnTe平面型探測(cè)器的能量脈沖直方圖，顯示出低能拖尾效應(yīng)。
圖5A是本發(fā)明單體配置的優(yōu)選實(shí)施方案透視圖。
圖5B是將圖5A所示的實(shí)施方案沿線5B-5B剖開(kāi)而得到的側(cè)視圖，顯示出半導(dǎo)體晶體內(nèi)部產(chǎn)生的電場(chǎng)。
圖6是本發(fā)明另一實(shí)施方案的透視圖。
圖7是本發(fā)明另一實(shí)施方案的透視圖，顯示出分段的控制電極。
圖8是本發(fā)明另一實(shí)施方案的透視圖，顯示出多個(gè)控制電極和多個(gè)陽(yáng)極。
圖9是圖5所示的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的能量脈沖直方圖，利用了CdZnTe半導(dǎo)體。
圖10A是本發(fā)明另一實(shí)施方案的透視圖，顯示出探測(cè)器陣列結(jié)構(gòu)。
圖10B是將圖10A所示的陣列實(shí)施方案沿線10B-10B剖開(kāi)而得到的側(cè)視圖。
圖11是具有掩埋電極的輻射探測(cè)器剖面圖。
在各個(gè)附圖中，相同的數(shù)字和標(biāo)號(hào)表示相同的元件。
在該說(shuō)明中，所示的優(yōu)選實(shí)施方案和實(shí)例僅僅是示例性的，而不是對(duì)本發(fā)明的限制。
1本發(fā)明輻射探測(cè)器的物理特性圖5A是本發(fā)明單體(或單象素)輻射探測(cè)器500的優(yōu)選實(shí)施方案透視圖。盡管只顯示了單體探測(cè)器，應(yīng)當(dāng)清楚，本發(fā)明的探測(cè)器并不僅限于單體實(shí)施方案，也可以用于多象素配置。因此，多個(gè)單體探測(cè)器500可以組合在一起構(gòu)成單體探測(cè)器陣列，或者根據(jù)本發(fā)明的原理，制作單片探測(cè)器列陣。圖10顯示了單片探測(cè)器列陣的例子，下面將對(duì)其進(jìn)行描述。
圖5所示的單體探測(cè)器500優(yōu)選地可以探測(cè)在幾KeV到超過(guò)1MeV范圍內(nèi)的能量。探測(cè)器500包括半導(dǎo)體晶體502、偏置電極504、信號(hào)電極506和控制電極508。適當(dāng)?shù)仄秒姌O可以在晶體502內(nèi)部產(chǎn)生電場(chǎng)。依次地，電離現(xiàn)象產(chǎn)生電荷云，該電荷云在電場(chǎng)的作用下導(dǎo)向信號(hào)電極506。
在下面的討論中，假定電子的遷移率-壽命乘積比空穴的大。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以知道，在相反的條件下，即空穴的遷移率-壽命乘積比電子的大時(shí)，電極化現(xiàn)象也會(huì)反轉(zhuǎn)。
A半導(dǎo)體晶體半導(dǎo)體晶體502是高阻、高Z值(大于34)的半導(dǎo)體材料晶片或板。優(yōu)選地，晶體由高阻CdZnTe板組成，它可在室溫下工作并可以制作探測(cè)器。另外，晶體502可以由CdTe、HgI2、PbI、或其它具有高阻特性且可以制作探測(cè)器的半導(dǎo)體材料構(gòu)成。當(dāng)然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道實(shí)際上任何半導(dǎo)體材料都可用于本發(fā)明。
當(dāng)用于光譜掃描模式時(shí)，由CdZnTe或CdTe制作的探測(cè)器除了產(chǎn)生與電離輻射的任一具體能量相對(duì)應(yīng)的特征脈沖幅度之外還產(chǎn)生了許多低能脈沖，即，該晶體產(chǎn)生顯著的低能拖尾效應(yīng)。因此，在半導(dǎo)體板由CdZnTe或CdTe制作的輻射探測(cè)器中，按照減小拖尾效應(yīng)的思路設(shè)計(jì)探測(cè)器是十分重要的。本發(fā)明提供了一種探測(cè)器結(jié)構(gòu)，它可以有效地消除拖尾效應(yīng)，因此特別適用于基于CdZnTe或CdTe的半導(dǎo)體輻射探測(cè)器。
如圖5所示，半導(dǎo)體晶體502優(yōu)選地是并排放置的長(zhǎng)方體。然而，晶體502可以是任何形狀，包括立方體、半圓球、圓柱體、圓錐體或斜方體。在一個(gè)實(shí)驗(yàn)實(shí)施方案中，晶體502的側(cè)面510和512呈正方形，其長(zhǎng)度“c”和“e”分別大約為6.1毫米，厚度“d”大約為3毫米。然而，應(yīng)當(dāng)理解，圖5的尺寸僅僅是示例性的，其尺寸主要取決于使用探測(cè)器的具體應(yīng)用和測(cè)量條件。因此，晶體502可以具有較大或較小的側(cè)面510和512。典型地，側(cè)面510和512的表面積在一百至幾百平方毫米之間。
晶體502的厚度“d”可以大于或小于3毫米。然而，優(yōu)選的是厚度大于0.5毫米，典型的厚度范圍大約在1毫米和10毫米之間(下面將詳述改變晶體502厚度而產(chǎn)生的效果)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可以獨(dú)立或協(xié)同地調(diào)節(jié)晶體的形狀和尺寸，以實(shí)現(xiàn)晶體的性能或改進(jìn)制作工藝。
本發(fā)明的新穎結(jié)構(gòu)可以有效地用于電阻率大于10兆歐姆-厘米的任何半導(dǎo)體或絕緣探測(cè)器材料。如果半導(dǎo)體電阻率小于10兆歐姆，可以通過(guò)在一個(gè)電極處制作肖特基勢(shì)壘或p-n結(jié)來(lái)有效地提高電阻率。
B偏置電極偏置電極504作為導(dǎo)電層(例如通過(guò)金屬化)完全覆蓋在晶體502的側(cè)面510上。(圖5所示的實(shí)施方案中，電子遷移率-壽命乘積與空穴遷移率-壽命乘積之比大于1，因此偏置電極504用作陰極，并且在本說(shuō)明的剩余部分仍舊如此使用。當(dāng)然，如果遷移率-壽命乘積反轉(zhuǎn)，極性也會(huì)反轉(zhuǎn)，陰極504將用作陽(yáng)極。)。陰極504可以只覆蓋晶體502的部分表面、或者覆蓋多個(gè)表面，和/或者數(shù)個(gè)陰極制作在同一側(cè)面510上。此外，陰極504可以具有不同的形狀和尺寸。
陰極504調(diào)整到偏置(或陰極)電壓Vb，該電壓相對(duì)陽(yáng)極506為負(fù)，并依賴(lài)于晶體502的厚度“d”以及具體的應(yīng)用。對(duì)于優(yōu)選實(shí)施方案，晶體502大約3毫米厚，Vb的幅值大約從-200伏特到-1000伏特，最優(yōu)選的是從大約-400伏特到大約-500伏特。然而，應(yīng)當(dāng)理解，Vb可以是任何適用的電壓值。通過(guò)將陰極504與外部恒壓源514相連，或者利用任何其它適用的、可以建立和保持基本恒定電壓值的裝置，將陰極調(diào)整到Vb。優(yōu)選地，陰極504通過(guò)導(dǎo)線與電壓源513相連。
C信號(hào)電極在圖5的實(shí)施方案中，信號(hào)電極506優(yōu)選地是位于側(cè)面512中心或在其附近的小導(dǎo)電觸點(diǎn)，側(cè)面512是與在優(yōu)選實(shí)施方案中制作陰極504的側(cè)面510相對(duì)的半導(dǎo)體晶體板502的表面。(如上所述，在圖5的實(shí)施方案中，電子的遷移率-壽命乘積大于空穴的乘積，因此信號(hào)電極506作為陽(yáng)極，并在本說(shuō)明的剩余部分仍如此使用。如果發(fā)生反轉(zhuǎn)，那么極性將發(fā)生反轉(zhuǎn)，陽(yáng)極將用作陰極。)圖5A中的陽(yáng)極506是直徑大約為1毫米的圓形，直徑小于長(zhǎng)度“a”。因此，優(yōu)選地，陽(yáng)極506是制作在側(cè)面512表面上的“點(diǎn)”接觸。然而，類(lèi)似于陰極504，陽(yáng)極506可以制作成各種形狀，例如圓形、正方形、矩形或三角形，且其尺寸是不固定的。
陽(yáng)極506優(yōu)選地通過(guò)導(dǎo)線與外部信號(hào)電路516相連，通過(guò)電阻器與陽(yáng)極電位相連，該電位在圖5的優(yōu)選實(shí)施方案中是地514。因此，陽(yáng)極506處于比陰極504更正的電位Va，而陰極504，如上所述，處于負(fù)電位。結(jié)果，在陽(yáng)極506和陰極504之間存在偏置電壓，該偏壓在晶體內(nèi)部產(chǎn)生電場(chǎng)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道，Va并不一定要處于地電位。此外，Va可以是任何電壓值，只要Va和Vb處于不同的電壓值以便在陰極504和陽(yáng)極506之間建立偏壓。
D控制電極第三電極，控制電極508，在優(yōu)選實(shí)施方案中與陽(yáng)極506一樣制作在晶體502的同一側(cè)面512上。如圖5A所示，控制電極508的形狀可以是環(huán)繞陽(yáng)極506的導(dǎo)電圓環(huán)，其內(nèi)徑“a”大約為4毫米，外徑“a”+“2b”大約為6毫米。圖6顯示了本發(fā)明輻射探測(cè)器600的又一實(shí)施方案，其中，控制電極608在側(cè)面612的周界上形成一個(gè)矩形環(huán)，該環(huán)圍繞著陽(yáng)極606。在輻射探測(cè)器600中，控制電極608的寬度大約為0.5毫米。如這里定義的，“環(huán)”是指具有任意形狀(例如圓形、矩形、或正方形)的物體或結(jié)構(gòu)，它完全或部分地包圍或基本上環(huán)繞另一個(gè)物體或結(jié)構(gòu)。因此，應(yīng)當(dāng)理解，控制電極508不是僅限于環(huán)繞陽(yáng)極506的圓形或矩形環(huán)，如圖5A和6所示，而是可以呈正方形、三角形、或其它環(huán)形。此外，控制電極508不需要環(huán)繞陽(yáng)極506。實(shí)際上，控制電極508可以是“非完整”的圓形或正方形(而不是完整的環(huán)形)，或者是在陽(yáng)極506附近形成的非規(guī)則區(qū)域。下面將詳細(xì)描述一些控制電極/陽(yáng)極的其它結(jié)構(gòu)。
控制電極508具有控制電壓Vc，該電壓可以是恒定電壓值，或者是可控的或任意變化的電壓值。優(yōu)選地，與Vb一樣，Vc相對(duì)于陽(yáng)極為負(fù)。此外，Vc的幅值通常處于Vb和Va的幅值之間。然而，Vc的幅值可以比Vb更負(fù)。相應(yīng)地，在優(yōu)選實(shí)施方案中，Va和Vc存在下述關(guān)系Vc＜Va在許多應(yīng)用中，當(dāng)Vc＝Vb時(shí)可以達(dá)到最大探測(cè)靈敏度。
可以用多種方法建立Vc。例如，如圖5A所示，控制電極508可以連接到產(chǎn)生基本恒定電壓的外部電壓源522。電壓源522用于保證控制電極508處于Vc。當(dāng)外部電壓源522用于建立Vc時(shí)，電流流入或流出控制電極508，這取決于Vc是高于還是低于由控制電極到陽(yáng)極和陰極的有效阻抗而建立的電位。
另外，如圖6所示，控制電極608可以連接到與地614相連的電容器624。電容器624可以是任何類(lèi)型的電容器，包括分立電容器、單片電容器、厚膜電容器或集成電路電容器，或者電容器624還可以是系統(tǒng)的寄生電容。電容器624充電到由Vb-Va和由陰極604到控制電極608以及控制電極608到陽(yáng)極606之間的內(nèi)部電阻抗而確定的電壓值。電容器624可以在單電荷搜集過(guò)程中當(dāng)電荷掃過(guò)控制電極608時(shí)防止Vc發(fā)生顯著的變化。
在另一方案中，Vc(和Va和Vb，對(duì)于這種情況)可以利用AC電壓建立，例如利用電壓源522。類(lèi)似地，Va、Vb和/或Vc可以通過(guò)數(shù)字階梯波形或其它波形建立。利用這種可調(diào)的電壓源，可以調(diào)制或主動(dòng)地改變Vc，以便調(diào)節(jié)或改變陽(yáng)極506的電荷信號(hào)脈沖的輸出計(jì)數(shù)率。
在優(yōu)選的輻射探測(cè)器500中，控制電極的位置和尺寸應(yīng)保證，控制電極508保持在大約-250伏特，當(dāng)Vb大約為-500伏特時(shí)，該電壓是Vc的容許工作電壓，其中只有一個(gè)小電容(例如大約1000pF)連接到控制電極508。因此，盡管本發(fā)明輻射探測(cè)器的各種實(shí)施方案需要三個(gè)電極，向任一探測(cè)器實(shí)施方案中添加電容器624將使得探測(cè)器相對(duì)于外部電路以?xún)啥似骷男问焦ぷ?。另外，控制電極508和陰極504可以連接在一起，探測(cè)器500可以相對(duì)于外部電路以?xún)啥似骷男问焦ぷ鳎琕b等于Vc。此外，如下面將詳細(xì)描述的，控制電極508保持在最佳電壓Vc附近，半導(dǎo)體晶體502中的幾乎全部電子電荷云均被陽(yáng)極506搜集。因此，幾乎完全消除低能拖尾效應(yīng)，探測(cè)效率極高。控制電極508還可減小晶體502邊緣中的缺陷產(chǎn)生的影響。
E電極結(jié)構(gòu)和特征圖7示例了具有分段的陽(yáng)極706和控制電極708的本發(fā)明另一實(shí)施方案。圖7中陽(yáng)極706分成數(shù)個(gè)段730，控制電極708也分成數(shù)個(gè)段732。陽(yáng)極706和控制電極708均可以有任意個(gè)段730、732，每個(gè)段可以具有任意的形狀。此外，單個(gè)陽(yáng)極706或控制電極708所具有的全部段730、732不必具有相同的形狀或相同的尺寸。因此，單個(gè)電極中的每個(gè)段均可以具有自己的形狀和尺寸。
不同的段730、732具有不同的電壓，以便優(yōu)化半導(dǎo)體晶體504內(nèi)部的電場(chǎng)分布。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將知道，這種優(yōu)化電壓可以憑經(jīng)驗(yàn)選擇。
另外，如圖8所示，在半導(dǎo)體晶體504上可以制作多個(gè)控制電極808和陽(yáng)極806。各個(gè)控制電極808可以具有任意的形狀和尺寸，可以相對(duì)陽(yáng)極806放置在不同的各種位置。利用段730、732，不同的控制電極808可以調(diào)整到不同的電壓值以?xún)?yōu)化電場(chǎng)分布。另外，控制電極808可以制作在晶體504上的不同位置，以?xún)?yōu)化電場(chǎng)分布。
如圖8所示，控制電極808和陽(yáng)極806均不需要制作在與陰極804所在的表面相對(duì)的探測(cè)器800的表面。例如，在圖8的探測(cè)器中，陰極804制作在立方體半導(dǎo)體晶體802的第一表面810上。第一控制電極808a和陽(yáng)極806均制作在與第一表面810相鄰的第二表面840上。第二組控制電極808b和陽(yáng)極808b制作在與第一表面810相對(duì)的第三表面812上。另外，晶體802可以在一個(gè)相鄰表面840上具有控制電極808，在另一個(gè)相鄰表面842上具有陽(yáng)極806c。從上述內(nèi)容可以知道，陽(yáng)極和控制電極在晶體上的任何分布均是可能的，只要建立的晶體內(nèi)部電場(chǎng)將電子電荷向陽(yáng)極聚集同時(shí)使陽(yáng)極免除空穴俘獲效應(yīng)。
此外，陰極、陽(yáng)極和控制電極均不需要限制在晶體的單一表面上。例如，如圖8所示，控制電極808b從晶體的一個(gè)表面繞過(guò)棱邊，延展到相鄰表面。電極甚至可以延展到多個(gè)相鄰表面。另外，電極的形狀可以是完全或部分地環(huán)繞晶體的帶狀。
利用不同的技術(shù)，電極可以制作在晶體502的表面或者在其內(nèi)部。優(yōu)選地，電極是金箔，它通常用在CdZnTe探測(cè)器的制作工藝中，采用電化學(xué)的方法淀積在晶體502的表面上。另外，其它導(dǎo)電材料，包括鉑、銠或其它金屬，也可以用電化學(xué)的方法淀積在晶體502的表面上，以形成電極。本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道，幾乎所有的導(dǎo)體均可以用作電極。作為電化學(xué)淀積的替代方法，可以采用氣化、濺射或表面合金的方法在晶體502上淀積電極材料。電極還可以利用其它技術(shù)制作，例如導(dǎo)電材料的離子束淀積和化學(xué)氣相淀積。電極可以制作成各種結(jié)構(gòu)，包括臺(tái)面型結(jié)構(gòu)、溝型結(jié)構(gòu)和掩埋型結(jié)構(gòu)。圖11示例了輻射探測(cè)器1114中的掩埋型陽(yáng)極1110和控制電極1112。
電極間的隔離采用各種方法實(shí)現(xiàn)。例如，通過(guò)改變晶體502的表面和/或利用晶體表面的體材料(即，利用任何工藝形成的鈍化或阻性層)可以實(shí)現(xiàn)電極的隔離。
電極優(yōu)選地是歐姆接觸。然而，本發(fā)明的電極不必是歐姆接觸；它們可以是整流結(jié)、p-n結(jié)、或一些其它類(lèi)型的接觸。
II輻射探測(cè)器的操作參照?qǐng)D5的優(yōu)選實(shí)施方案描述本發(fā)明輻射探測(cè)器的操作部分。然而，應(yīng)當(dāng)知道，下述的原理適用于本發(fā)明的任一實(shí)施方案。
A工作原理下面將討論什么是具有本發(fā)明操作特性的物理基礎(chǔ)。完善的理論研究證實(shí)本發(fā)明的操作原理是正確的，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的使用不會(huì)改變下述討論的正確性。此外，盡管下面的說(shuō)明是參照?qǐng)D5的輻射探測(cè)器500進(jìn)行的，應(yīng)當(dāng)理解，所述的原理和理論適用于本發(fā)明的任何結(jié)構(gòu)。
半導(dǎo)體晶體502具有電子和空穴。當(dāng)電離現(xiàn)象在晶體502內(nèi)部發(fā)生時(shí)，電子和空穴分別形成電子云和空穴云，并在晶體502內(nèi)部以特定的方式輸運(yùn)。如上所述，描述輸運(yùn)特性的關(guān)鍵性的電子參數(shù)和空穴參數(shù)是1)遷移率μ，決定了電子或空穴在特定電場(chǎng)中的移動(dòng)速度；2)俘獲時(shí)間T，它是由電離輻射產(chǎn)生的電子或空穴保持游離態(tài)并可以參與輸運(yùn)過(guò)程的平均時(shí)間。遷移率-壽命乘積(μT)是分析半導(dǎo)體輻射探測(cè)器的關(guān)鍵參數(shù)，電子的遷移率-壽命乘積為(μT)e，空穴的遷移率-壽命乘積為(μT)h。在特定的半導(dǎo)體中，電子和空穴的遷移率-壽命乘積具有很大的差異。如果在半導(dǎo)體上制作電極，并在電極之間建立電壓，那么半導(dǎo)體內(nèi)部的電場(chǎng)E將使電子向陽(yáng)極漂移，使空穴向陰極漂移。
在半導(dǎo)體中，例如CdTe和CdZnTe，電子的遷移率-壽命乘積通常遠(yuǎn)大于空穴的乘積，遷移率-壽命比值(μT)e/(μT)h通常大于10。(然而下述原理也可以應(yīng)用于(μT)e/(μT)h較小或較大的半導(dǎo)體探測(cè)器)。在其它高阻半導(dǎo)體中，例如HgI2和PbI，遷移率-壽命比值會(huì)更高。為了便于理解，假定電子的平均自由程(μTE)相對(duì)于探測(cè)器厚度較大，而空穴的較小。電離輻射產(chǎn)生的電子基本上全部到達(dá)陽(yáng)極，而多數(shù)空穴在到達(dá)陰極之前被俘獲。在這些條件下，平面型探測(cè)器中的輸運(yùn)電荷總量強(qiáng)烈地依賴(lài)于晶體中發(fā)生電離現(xiàn)象的位置。如果現(xiàn)象發(fā)生在陰極很近，電子將全部掃過(guò)晶體而到達(dá)陽(yáng)極，而空穴掃向陰極，外部電路將檢測(cè)到電離輻射產(chǎn)生的全部電荷。如果現(xiàn)象發(fā)生在陽(yáng)極附近，電子將掃向陽(yáng)極，而空穴將被俘獲，最后的效果將產(chǎn)生下降很多的輸出信號(hào)。若現(xiàn)象發(fā)生在陽(yáng)極和陰極中間，外部電路中感應(yīng)出的分布電荷比例是現(xiàn)象發(fā)生位置與陽(yáng)極間距的函數(shù)。電荷響應(yīng)對(duì)現(xiàn)象發(fā)生位置的依賴(lài)性是平面型探測(cè)器產(chǎn)生有害的低能拖尾效應(yīng)的根源。
利用本發(fā)明的三電極探測(cè)器，至少有三個(gè)因素有助于消除低能拖尾效應(yīng)。
第一，低能拖尾效應(yīng)基本上按照陽(yáng)極506與控制電極508的面積比值降低。當(dāng)電離現(xiàn)象在探測(cè)器500內(nèi)部產(chǎn)生電荷云時(shí)，在所有的電極上均感應(yīng)出電荷。電極電壓建立的電場(chǎng)518將電子云導(dǎo)向陽(yáng)極506，將空穴云導(dǎo)向陰極504。通常，控制電極508上感應(yīng)出的電荷一開(kāi)始遠(yuǎn)大于陽(yáng)極506上的電荷，這是因?yàn)樵陔姾稍坪完?yáng)極506、電荷云和控制電極508之間存在相對(duì)電容(大約為它們的面積之比)。該條件是成立的，除非電荷云與陽(yáng)極506的間距小于與控制電極508的間距。當(dāng)電子云到達(dá)陽(yáng)極506時(shí)，由于陽(yáng)極附近的電場(chǎng)518是高度集聚的，所以電子云在靠近陽(yáng)極的過(guò)程中得到加速，陽(yáng)極506上的電荷迅速地建立起來(lái)并達(dá)到電子云的完全值。與此相反，隨著空穴云移近陰極504，在陽(yáng)極506上發(fā)生的效應(yīng)將會(huì)消失。因此，在平面型探測(cè)器中產(chǎn)生低能拖尾效應(yīng)的影響將會(huì)從陽(yáng)極信號(hào)中減小，其減小量近似為陽(yáng)極與陰極的面積比。因此，信號(hào)電荷，即陽(yáng)極506搜集的全部電荷，基本上為電離現(xiàn)象產(chǎn)生的全部電荷，而與晶體502中發(fā)生該現(xiàn)象的位置無(wú)關(guān)?？梢灾?，該探測(cè)方法消除了陽(yáng)極電荷響應(yīng)對(duì)電離現(xiàn)象發(fā)生位置的依賴(lài)關(guān)系，而該依賴(lài)關(guān)系是有害的低能拖尾效應(yīng)的根源。此外，控制電極508上的負(fù)偏壓可以防止控制電極508搜集電子電荷云，因此，保證了高搜集效率。
第二，電場(chǎng)整形有助于降低低能拖尾效應(yīng)。圖5B是圖5A的輻射探測(cè)器500的側(cè)剖視圖。顯示了經(jīng)計(jì)算得到的、可以由優(yōu)選的三電極配置產(chǎn)生的電場(chǎng)518。如圖5B所示，電場(chǎng)518的特征是晶體502內(nèi)部的電力線520在陰極504和陽(yáng)極506之間的大部分位置上均是平行的。電力線在靠近陽(yáng)極506時(shí)開(kāi)始高度集聚。因?yàn)殛?yáng)極506上感應(yīng)出的電荷比例是電荷云移動(dòng)速度的函數(shù)，同時(shí)隨著電荷云靠近陽(yáng)極506，電場(chǎng)518的集聚使漂移速度增加，所以在短時(shí)間內(nèi)，陽(yáng)極506上感應(yīng)出總電荷的大部分。利用控制電極508來(lái)增強(qiáng)陽(yáng)極506附近的電場(chǎng)集聚使陽(yáng)極506感應(yīng)出具有更快上升時(shí)間的電荷信號(hào)，同時(shí)減小了在半導(dǎo)體中，例如CdTe和CdZnTe，通常會(huì)遇到的上升時(shí)間差異。這會(huì)使限幅倍數(shù)有限的外部電路516具有更加一致的放大倍數(shù)。
第三，控制電極508還可以去除一些在晶體502的周界附近產(chǎn)生的、輸運(yùn)特性較差的電荷云，在周界附近更容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷。然而，通過(guò)調(diào)節(jié)控制電極508的電壓，這種電荷云可以由控制電極508搜集而不是陽(yáng)極506，因此，防止了這類(lèi)電荷云引起低能拖尾效應(yīng)。
B實(shí)際探測(cè)器的操作實(shí)例圖9顯示了利用依據(jù)圖5中的探測(cè)器500構(gòu)造的實(shí)際輻射探測(cè)器對(duì)來(lái)自Tc-99mm的λ輻射進(jìn)行探測(cè)而得到的信號(hào)脈沖直方圖。實(shí)際探測(cè)器利用了長(zhǎng)方體CdZnTe半導(dǎo)體晶體。晶體的側(cè)面尺寸為6.1毫米×6.1毫米，厚度為3毫米。探測(cè)器的陰極覆蓋晶體的一個(gè)表面，陽(yáng)極和控制電極在與之相對(duì)的另一個(gè)表面，Va＝0伏特，Vb＝-450伏特，Vc＝-250伏特。
圖9清楚地表明利用本發(fā)明可以有效地消除低能拖尾效應(yīng)。在電離輻射的能級(jí)位置存在著很大的光峰，只檢測(cè)到少量的低能脈沖，由尾部904表示。將圖9的直方圖與圖4的相比較，本發(fā)明的探測(cè)器可以顯著地降低拖尾效應(yīng)。圖4的直方圖用常規(guī)CdZnTe平面型探測(cè)器獲得，該探測(cè)器的晶體尺寸和質(zhì)量與圖9的相同?？梢钥吹剑瑘D4在目標(biāo)能量位置具有一個(gè)展寬的光峰402，表明分辨率降低，和相當(dāng)數(shù)量的低能拖尾404，表明峰值效率降低。值得注意的是三個(gè)能量峰的相對(duì)幅度。峰內(nèi)的總計(jì)數(shù)應(yīng)當(dāng)正比于該峰值能量的輻射概率。對(duì)于鉆-57，那些概率為1)14.413KeV-9.14％，2)122.06KeV-85.68％，和3)136.45KeV-10.67％。在圖9中，峰內(nèi)計(jì)數(shù)的相對(duì)幅度非常接近于那些輻射概率，而在圖4中可以清楚地看到，至少有一半應(yīng)當(dāng)處于峰內(nèi)部的計(jì)數(shù)處在高能峰的低能拖尾中。(圖4和圖9中的兩條曲線是利用尺寸和外圍材料均相同的探測(cè)器獲得的；因此，可以比較兩條曲線的相對(duì)峰值幅度，盡管在沒(méi)有每個(gè)峰的光子吸收數(shù)據(jù)的條件下，不能直接比較峰值幅度。)相應(yīng)地，如圖9的直方圖所示，增加控制電極508及其對(duì)電場(chǎng)518形狀的影響使低能拖尾效應(yīng)顯著地減小。因此，本發(fā)明的探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了高分辨率和高搜集效率，盡管在高阻、大遷移率-壽命比值的半導(dǎo)體材料中存在著電荷輸運(yùn)的問(wèn)題。此外，本發(fā)明制作起來(lái)既簡(jiǎn)單又便宜。
C操作的其它方面和特征Vc的幅度可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。如果Vc的幅度太小，陽(yáng)極506只能搜集到部分電子云，輻射探測(cè)器500的搜集效率將很低。Vc的最佳值決定于電極的幾何外形。在圖5所示的輻射探測(cè)器500中，Vc的優(yōu)選電壓在(Va+Vb)/2和Vb之間。
可以調(diào)整陰極504和控制電極508間的阻抗以及控制電極508和陽(yáng)極506之間的阻抗，以實(shí)現(xiàn)特定的性能。通過(guò)改變電極的幾何形狀以及通過(guò)離子損傷、離子注入、熱-化學(xué)處理、和/或其它方法來(lái)改變體電阻和表面電阻，可以實(shí)現(xiàn)上述目的。
本發(fā)明的輻射探測(cè)器幾乎可以應(yīng)用于各種厚度的晶體。然而，優(yōu)選的是厚度至少為0.5毫米。對(duì)厚度的唯一限制是較大的μT乘積(即(μT)h或(μT)e)對(duì)于大多數(shù)電荷載流子必須足夠地大，以便能夠橫穿晶體。對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)水平的CdZnTe，該厚度大約是10毫米。對(duì)于晶體上的單個(gè)陽(yáng)極，探測(cè)器的有效面積必須受到電子器件所固有的最大陽(yáng)極電容的限制，以及電場(chǎng)形成能力的限制，該電場(chǎng)將電子導(dǎo)向陽(yáng)極。利用幾何形狀適當(dāng)?shù)年?yáng)極和控制電極可以實(shí)現(xiàn)較大的面積。較大的面積可以用來(lái)制作與下述探測(cè)器陣列結(jié)構(gòu)類(lèi)似的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，只是陽(yáng)極連接在一起。
因此，本發(fā)明半導(dǎo)體晶體的厚度是很關(guān)鍵的，因此可以為大范圍的輻射能量提供高阻抗和高搜集效率。
在本發(fā)明的輻射探測(cè)器中，如圖5B所示，電極的位置以及給電極施加的偏壓要保證產(chǎn)生這樣一種電場(chǎng)518，它將沿著基本垂直于表面510且平行于入射輻射112的方向引導(dǎo)電荷，其中輻射112照射在探測(cè)器500的表面510上。
根據(jù)半導(dǎo)體晶體的厚度和應(yīng)用需求選擇Vb-Va的值。對(duì)于3毫米厚的晶體，Vb-Va的值大約是-400伏特。
如果新器件的實(shí)施方案保持在電離輻射的恒定通量中，調(diào)節(jié)控制電極508的電壓使之低于最優(yōu)值將使得計(jì)數(shù)速率以相應(yīng)的方式變化。因此，本發(fā)明的輻射探測(cè)器可以用于調(diào)制來(lái)自電離輻射束的信號(hào)。
III探測(cè)器陣列實(shí)施方案圖10顯示了根據(jù)本發(fā)明的探測(cè)器陣列實(shí)施方案1000。圖10A是探測(cè)器陣列1000的透視圖。圖10B是探測(cè)器陣列1000的側(cè)剖面圖，顯示了半導(dǎo)體晶體1002的內(nèi)部電場(chǎng)1018。
陰極1004優(yōu)選地基本覆蓋半導(dǎo)體晶體1002的全部底面1010。然而，陰極1004不必完全覆蓋晶體1002的底面1010，可以是任何所需的尺寸和形狀(例如，正方形網(wǎng)格)。半導(dǎo)體晶體1002基本上類(lèi)似于上面在圖5中描述的、單體探測(cè)器500中的晶體502，只是電極側(cè)面1010、1012的表面積較大，以便于容納陽(yáng)極陣列1006和控制網(wǎng)格1008。晶體1002可以制作在單片或拼接半導(dǎo)體材料上。
利用數(shù)個(gè)陽(yáng)極1006替換單個(gè)陽(yáng)極，并將控制電極作成網(wǎng)格狀，就可以制成探測(cè)器陣列1000，其中，如圖所示，陽(yáng)極1006位于晶體1002的頂面1012。因此，各個(gè)陽(yáng)極1006及其控制網(wǎng)格1008的環(huán)繞部分構(gòu)成一個(gè)象素。陽(yáng)極1006和控制網(wǎng)格1008可以利用普通的半導(dǎo)體工藝制作。該象素陣列特別適用于輻射攝像機(jī)，例如，用在工業(yè)應(yīng)用和醫(yī)療應(yīng)用中。
除了降低低能拖尾效應(yīng)、提高分辨率和搜集效率等優(yōu)點(diǎn)之外，本發(fā)明的探測(cè)器陣列結(jié)構(gòu)，如圖10B所示，還建立了一種電場(chǎng)圖案1018，該電場(chǎng)圖案將各個(gè)象素彼此隔離，因此防止了串?dāng)_發(fā)生。此外，因?yàn)殛?yáng)極1006可以做得比控制網(wǎng)格1008更小，所以在陽(yáng)極1006和控制網(wǎng)格1008之間可以基本上實(shí)現(xiàn)隔離。這可以降低網(wǎng)格間的漏電流，該漏電流是探測(cè)器陣列器件中產(chǎn)生有害噪聲的根源。
探測(cè)器陣列1000的工作原理與上述的、各種單體探測(cè)器實(shí)施方案的工作原理相同。因此，控制網(wǎng)格1008和陽(yáng)極1006共享電子云感應(yīng)出的電荷，但是，由于控制網(wǎng)格1008大于陽(yáng)極1006，所以可以基本上消除陽(yáng)極1006的低能拖尾效應(yīng)。此外，控制網(wǎng)格1008優(yōu)選地設(shè)定為接近于陰極1004電壓Vb的電壓值Vc。另外，對(duì)于探測(cè)器陣列1000，存在下述電壓關(guān)系Vc＜Va。如上所述，該電壓關(guān)系使電場(chǎng)形成一個(gè)將電子云導(dǎo)向陽(yáng)極1006的電場(chǎng)路徑。結(jié)果，電子云在小陽(yáng)極1006上感應(yīng)出全部電荷。這可以顯著地減低探測(cè)器陣列1000中的所有陽(yáng)極象素1006的低能拖尾效應(yīng)。
盡管只顯示了單個(gè)電極1008，可以利用區(qū)域控制網(wǎng)格制作控制區(qū)域或陽(yáng)極1006的子集，或者利用控制網(wǎng)格制作每個(gè)陽(yáng)極。
在制作成陣列的實(shí)驗(yàn)單元中，通過(guò)在適宜的半導(dǎo)體晶體(CdZbTe)上制作控制網(wǎng)格和中心電極而制成數(shù)個(gè)3毫米×3毫米的正方形象素探測(cè)器。該陣列特別適于用作核醫(yī)療設(shè)備中的成像器。
全部或部分陽(yáng)極1006在電氣上并行地連接在一起。因此，可以利用圖10的結(jié)構(gòu)制作面積比單陽(yáng)極探測(cè)器大得多的單體探測(cè)器。另外，這種大面積探測(cè)器的總體電容較低，使探測(cè)器1000具有比例于其面積或體積的高靈敏性和類(lèi)似于小探測(cè)器的高分辨率。
IV結(jié)論本發(fā)明的主要特征是以下述方式將控制電極、陽(yáng)極和陰極組合在一起，即保證陽(yáng)極基本上能夠搜集到輻射吸收現(xiàn)象產(chǎn)生的全部電荷，同時(shí)防止了空穴俘獲效應(yīng)對(duì)陽(yáng)極的影響，消除了信號(hào)中的大部分低能拖尾效應(yīng)。電極的配置還可以保證晶體內(nèi)部的電場(chǎng)圖案將電離輻射產(chǎn)生的電子云有效地導(dǎo)向陽(yáng)極。
已詳述了本發(fā)明的數(shù)個(gè)實(shí)施方案。然而，應(yīng)當(dāng)理解，在不偏離本發(fā)明宗旨和范圍的前提下，可以作各種改動(dòng)。相應(yīng)地，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明不僅僅限于具體示例的實(shí)施方案，而是受限于附屬權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1.一種輻射探測(cè)器，包括a)具有數(shù)個(gè)側(cè)面且厚度至少為0.5毫米的半導(dǎo)體；b)制作在至少一個(gè)半導(dǎo)體側(cè)面的偏置電極；c)制作在至少一個(gè)半導(dǎo)體側(cè)面的信號(hào)電極；d)制作在至少一個(gè)半導(dǎo)體側(cè)面的至少一個(gè)控制電極，將由半導(dǎo)體內(nèi)部的電離現(xiàn)象產(chǎn)生的電荷云導(dǎo)向信號(hào)電極，顯著地降低了信號(hào)電極上的半導(dǎo)體空穴俘獲效應(yīng)。其中，輻射探測(cè)器可以有效地探測(cè)高于20KeV的能量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的輻射探測(cè)器，其中半導(dǎo)體的Z值大于34。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的輻射探測(cè)器，其中半導(dǎo)體的電阻率大于107歐姆-厘米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的輻射探測(cè)器，其中信號(hào)電極探測(cè)輸出計(jì)數(shù)率，探測(cè)器包括為改變輸出計(jì)數(shù)率而向控制電極提供可變電壓的裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的輻射探測(cè)器，其中半導(dǎo)體包括CdTe。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的輻射探測(cè)器，其中半導(dǎo)體包括CdZnTe。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的輻射探測(cè)器，其中信號(hào)電極和控制電極處于同一半導(dǎo)體側(cè)面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的輻射探測(cè)器，其中信號(hào)電極和控制電極處于不同的半導(dǎo)體側(cè)面。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的輻射探測(cè)器，其中偏置電極是至少部分地覆蓋半導(dǎo)體第一側(cè)面的陰極。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的輻射探測(cè)器，其中偏置電極連接到偏置電壓源，其中偏置電極是具有陰極電壓Vb的陰極，Vb基本保持在固定值。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的輻射探測(cè)器，其中信號(hào)電極連接到信號(hào)電極電壓源，其中信號(hào)電極的電壓為Va，而Vb-Va由半導(dǎo)體的厚度確定。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的輻射探測(cè)器，其中半導(dǎo)體的厚度大約為3毫米，Vb-Va大約為-500伏特。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的輻射探測(cè)器，其中信號(hào)電極連接到信號(hào)電極電壓源，其中信號(hào)電極是具有陽(yáng)極電壓Va的陽(yáng)極，Va近似為地電位。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的輻射探測(cè)器，其中控制電極連接到控制電極電壓源，其中控制電極具有控制電極電壓Vc，Vb近似為地電位。
15.根據(jù)權(quán)利要求10的輻射探測(cè)器，其中控制電極連接到控制電極電壓源，信號(hào)電極連接到信號(hào)電極電壓源，控制電極具有控制電極電壓Vc，信號(hào)電極具有電壓Va，Vc＜Va。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的輻射探測(cè)器，其中控制電極連接到控制電極電壓源，信號(hào)電極連接到信號(hào)電極電壓源，控制電極具有控制電極電壓Vc，信號(hào)電極具有電壓Va，Vc＜Va。
17.根據(jù)權(quán)利要求10的輻射探測(cè)器，其中控制電極連接到控制電極電壓源，信號(hào)電極連接到信號(hào)電極電壓源，控制電極具有控制電極電壓Vc，信號(hào)電極具有陽(yáng)極電壓Va，Vc近似等于(Va+Vb)/2。
18.根據(jù)權(quán)利要求10的輻射探測(cè)器，其中控制電極連接到控制電極電壓源，控制電極具有控制電極電壓Vc，Vc近似等于Vb。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的輻射探測(cè)器，其中控制電極連接到恒定電壓源。
20.根據(jù)權(quán)利要求10的輻射探測(cè)器，其中控制電極連接到電容器的第一端子，電容器的第二端子連接到地電位。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的輻射探測(cè)器，其中信號(hào)電極連接到信號(hào)電極電壓源，信號(hào)電極是具有陽(yáng)極電壓Va的陽(yáng)極，第一阻抗位于偏置電極和控制電極之間，第二阻抗位于控制電極和信號(hào)電極之間，電容器和控制電極充電到由Vb-Va確定的電壓值。
22.根據(jù)權(quán)利要求1的輻射探測(cè)器，其中偏置電極是具有陰極表面的陰極，信號(hào)電極的表面積大大地小于陰極的表面積。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的輻射探測(cè)器，其中信號(hào)電極是位于與具有陰極的第一側(cè)面相對(duì)的半導(dǎo)體表面的陽(yáng)極。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的輻射探測(cè)器，其中控制電極位于相對(duì)表面并且環(huán)繞陽(yáng)極。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的輻射探測(cè)器，其中控制電極包括環(huán)繞陽(yáng)極、且基本上呈圓形的環(huán)。
26.根據(jù)權(quán)利要求1的輻射探測(cè)器，其中偏置電極、信號(hào)電極和控制電極均制作在半導(dǎo)體表面。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的輻射探測(cè)器，其中偏置電極、信號(hào)電極和控制電極均包括金箔。
28.根據(jù)權(quán)利要求1的輻射探測(cè)器，其中偏置電極、信號(hào)電極和控制電極中的至少一個(gè)掩埋在半導(dǎo)體表面的下面。
29.根據(jù)權(quán)利要求1的輻射探測(cè)器，其中信號(hào)電極分割成多個(gè)部分。
30.根據(jù)權(quán)利要求1的輻射探測(cè)器，其中控制電極分割成多個(gè)部分。
31.根據(jù)權(quán)利要求1的輻射探測(cè)器，其中輻射探測(cè)器包括多個(gè)控制電極。
32.一種探測(cè)電離輻射的輻射探測(cè)器，包括a)具有數(shù)個(gè)側(cè)面且響應(yīng)于電離輻射的半導(dǎo)體；b)制作在半導(dǎo)體第一側(cè)面的陰極，陰極具有陰極表面，其中陰極連接到陰極電壓源，陰極具有陰極電壓Vb；c)制作在半導(dǎo)體第二側(cè)面的陽(yáng)極，第二側(cè)面與第一側(cè)面相對(duì)，并具有一個(gè)中心，陽(yáng)極包括靠近第二側(cè)面中心的觸點(diǎn)，其表面積大大地小于陰極表面積，其中陽(yáng)極連接到陽(yáng)極電壓源，陽(yáng)極具有陽(yáng)極電壓Va；d)制作在半導(dǎo)體第二側(cè)面的控制電極，控制電極形成一個(gè)環(huán)繞陽(yáng)極的單環(huán)，其中控制電極連接到控制電壓源，控制電極具有控制電壓Vc，Vc＜Va。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的輻射探測(cè)器，其中半導(dǎo)體由CdZnTe制作。
34.根據(jù)權(quán)利要求32的輻射探測(cè)器，其中半導(dǎo)體具有一個(gè)厚度，Vb-Va依賴(lài)于該厚度。
35.根據(jù)權(quán)利要求34的輻射探測(cè)器，其中半導(dǎo)體的厚度大約為3毫米，Vb-Va大約為-400伏特。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的輻射探測(cè)器，其中Va近似等于地電位，Vc近似等于-300伏特。
37.根據(jù)權(quán)利要求32的輻射探測(cè)器，其中控制電極連接到恒定電壓源。
38.根據(jù)權(quán)利要求32的輻射探測(cè)器，其中控制電極連接到電容器的第一端子，電容器的第二端子連接到地電位。
39.根據(jù)權(quán)利要求38的輻射探測(cè)器，其中第一阻抗位于陰極和控制電極之間，第二阻抗位于控制電極和信號(hào)電極之間，電容器和控制電極充電到由該阻抗和Vb-Va確定的電壓值。
40.根據(jù)權(quán)利要求32的輻射探測(cè)器，其中陰極、陽(yáng)極和控制電極中的至少一個(gè)制作在半導(dǎo)體表面。
41.根據(jù)權(quán)利要求40的輻射探測(cè)器，其中陰極、陽(yáng)極和控制電極中的至少一個(gè)包括金箔。
42.根據(jù)權(quán)利要求32的輻射探測(cè)器，其中陰極、陽(yáng)極和控制電極中的至少一個(gè)掩埋在半導(dǎo)體表面的下面。
43.根據(jù)權(quán)利要求32的輻射探測(cè)器，其中陽(yáng)極和控制電極在半導(dǎo)體表面上是隔離的。
44.根據(jù)權(quán)利要求32的輻射探測(cè)器，其中陽(yáng)極和控制電極由半導(dǎo)體表面上的體材料隔離。
45.根據(jù)權(quán)利要求32的輻射探測(cè)器，其中控制電極是一個(gè)圓環(huán)。
46.根據(jù)權(quán)利要求32的輻射探測(cè)器，其中控制電極是一個(gè)矩形環(huán)。
47.一種利用輻射探測(cè)器探測(cè)輻射源發(fā)出的電離輻射的方法，輻射探測(cè)器包括具有多個(gè)側(cè)面的半導(dǎo)體，半導(dǎo)體包括控制電極、陰極側(cè)面和陽(yáng)極側(cè)面，陰極側(cè)面具有陰極，陽(yáng)極側(cè)面具有陽(yáng)極，該方法包括以下步驟a)將輻射探測(cè)器放置在輻射源發(fā)出的輻射路徑內(nèi)；b)通過(guò)施加在陰極和陽(yáng)極上的偏置電壓，在半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電場(chǎng)；c)通過(guò)電離輻射在半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電子電荷云以及伴生的空穴云；d)電場(chǎng)將電子電荷云導(dǎo)向陽(yáng)極；e)當(dāng)距陽(yáng)極較遠(yuǎn)時(shí)，電荷云感應(yīng)出的電荷由陽(yáng)極和控制電極共享，這樣，陽(yáng)極感應(yīng)出的電荷與控制電極感應(yīng)出的電荷相比很??；和f)將電子電荷云在控制電極上感應(yīng)出的電荷減少至零，陽(yáng)極上的感應(yīng)電荷增加到到達(dá)陽(yáng)極的電子電荷云的完全值。
48.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中陽(yáng)極具有陽(yáng)極尺寸；當(dāng)電子電荷云位于距陽(yáng)極的距離近似等于陽(yáng)極尺寸的范圍內(nèi)時(shí)，在陽(yáng)極上感應(yīng)出電子電荷云的完全值。
49.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中電子電荷云包括多個(gè)移動(dòng)的電子，導(dǎo)引電子電荷云的步驟還包括以下步驟a)由電場(chǎng)形成數(shù)條導(dǎo)引路徑，每條導(dǎo)引路徑均具有始端和末端，數(shù)條導(dǎo)引路徑在始端基本上是相互平行的，并且在靠近末端時(shí)轉(zhuǎn)向陽(yáng)極；和b)沿著相應(yīng)的導(dǎo)引路徑將多個(gè)電子導(dǎo)向陽(yáng)極。
50.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，還包括步驟a)將控制電極偏置到控制電壓Vc；b)將陽(yáng)極偏置到陽(yáng)極電壓Va；c)將陰極偏置到陰極電壓Vb；和d)保證Vc的電壓值低于Va。
51.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，還包括制作環(huán)繞陽(yáng)極的控制電極的步驟。
52.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，還包括步驟a)將控制電極連接到電容器；和b)將電容器連接到地電位。
53權(quán)利要求52的方法，還包括步驟a)將陰極偏置到陰極電壓Vb；b)將陽(yáng)極偏置到陽(yáng)極電壓Va；和c)將電容器和控制電極充電到由Vb-Va確定的電壓值。
54.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中半導(dǎo)體包括多個(gè)可移動(dòng)電子，電子電荷云包括至少該多個(gè)可移動(dòng)電子的一部分。
55.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，還包括將陽(yáng)極分割為數(shù)個(gè)部分的步驟。
56權(quán)利要求47的方法，還包括將控制電極分割為數(shù)個(gè)部分的步驟。
57.一種探測(cè)電離輻射的系統(tǒng)，包括a)輻射探測(cè)器，包括1)具有數(shù)個(gè)側(cè)面的半導(dǎo)體，2)制作在半導(dǎo)體陰極側(cè)面的陰極，3)制作在至少一個(gè)非陰極側(cè)面的半導(dǎo)體側(cè)面上的陽(yáng)極，4)制作在至少一個(gè)非陰極側(cè)面的半導(dǎo)體側(cè)面上的控制電極；和b)在半導(dǎo)體內(nèi)部形成電場(chǎng)的裝置；其中，當(dāng)輻射探測(cè)器吸收電離輻射時(shí)，電離輻射在半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生可移動(dòng)電荷云；其中，電場(chǎng)將電子電荷云導(dǎo)向陽(yáng)極；其中，當(dāng)電荷云距陽(yáng)極較遠(yuǎn)時(shí)，電荷云感應(yīng)出的電荷由陽(yáng)極和控制電極共享，這樣，陽(yáng)極電荷很?。缓推渲?，隨著電子電荷云靠近陽(yáng)極，電子電荷云在陽(yáng)極上感應(yīng)出的電荷增加。
58.根據(jù)權(quán)利要求57的系統(tǒng)，其中陽(yáng)極具有陽(yáng)極尺寸；形成電場(chǎng)的裝置、控制電極和陽(yáng)極這樣配置，使得當(dāng)電子電荷云到達(dá)陽(yáng)極時(shí)，全部的電荷感應(yīng)在陽(yáng)極，這一現(xiàn)象幾乎完全發(fā)生在距陽(yáng)極的距離近似等于陽(yáng)極尺寸的范圍內(nèi)。
59.根據(jù)權(quán)利要求57的系統(tǒng)，其中電子電荷云包括數(shù)個(gè)可移動(dòng)電子；形成電場(chǎng)的裝置這樣配置，使得電場(chǎng)形成數(shù)條導(dǎo)引路徑，每條導(dǎo)引路徑均具有始端和末端，數(shù)條導(dǎo)引路徑在始端基本上是相互平行的，并且在靠近末端時(shí)轉(zhuǎn)向陽(yáng)極；數(shù)個(gè)可移動(dòng)電子沿著相應(yīng)的導(dǎo)引路徑導(dǎo)向陽(yáng)極。
60.根據(jù)權(quán)利要求57的系統(tǒng)，其中控制電極環(huán)繞陽(yáng)極。
61.根據(jù)權(quán)利要求57的系統(tǒng)，其中形成電場(chǎng)的裝置包括連接到控制電極和地電位的電容器。
62.根據(jù)權(quán)利要求61的系統(tǒng)，其中陽(yáng)極具有電壓Va，陰極偏置為陰極電壓Vb；其中電容器和控制電極充電到由Vb-Va確定的電壓值。
63.一種探測(cè)電離輻射的設(shè)備，包括具有至少三個(gè)電極，包括陰極、陽(yáng)極和控制電極，以及將每個(gè)電極偏置到某一電位的裝置的半導(dǎo)體，其中在半導(dǎo)體晶體內(nèi)部產(chǎn)生了電場(chǎng)；其中，半導(dǎo)體晶體吸收電離輻射時(shí)，電荷云在半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生；其中，電荷云在半導(dǎo)體內(nèi)部感應(yīng)出電荷，電荷由陽(yáng)極和控制電極共享，直到電荷十分靠近陽(yáng)極為止。
64.根據(jù)權(quán)利要求63的設(shè)備，其中控制電極的電位低于陽(yáng)極電位。
65.根據(jù)權(quán)利要求63的設(shè)備，其中半導(dǎo)體由CdZnTe材料制備。
66.根據(jù)權(quán)利要求63的設(shè)備，其中控制電極和陽(yáng)極制作在同一半導(dǎo)體側(cè)面，控制電極形成一個(gè)環(huán)繞陽(yáng)極的環(huán)。
67.根據(jù)權(quán)利要求63的設(shè)備，還包括連接到控制電極和地電位的電容器。
68.根據(jù)權(quán)利要求63的設(shè)備，其中陽(yáng)極制作在一個(gè)半導(dǎo)體側(cè)面，電場(chǎng)具有數(shù)條電力線，電力線基本上相互平行，并且基本上垂直于形成陽(yáng)極的側(cè)面，隨著電力線接近形成陽(yáng)極的側(cè)面，電力線向陽(yáng)極匯聚。
69.根據(jù)權(quán)利要求68的設(shè)備，其中電力線配置得使電荷云導(dǎo)向陽(yáng)極。
70.根據(jù)權(quán)利要求63的設(shè)備，其中陽(yáng)極具有陽(yáng)極尺寸；三個(gè)電極這樣配置，使得當(dāng)電荷云處于與陽(yáng)極的距離基本上等于陽(yáng)極尺寸的范圍內(nèi)時(shí)，控制電極只有極少量的電荷。
71.根據(jù)權(quán)利要求70的設(shè)備，其中三個(gè)電極這樣配置，使得當(dāng)電荷云遠(yuǎn)離陽(yáng)極一段距離后，陽(yáng)極上只有少量的電荷。
72.根據(jù)權(quán)利要求63的設(shè)備，其中半導(dǎo)體包括數(shù)個(gè)可在半導(dǎo)體內(nèi)部移動(dòng)的電子；三個(gè)電極這樣配置，使得電荷云至少包括一些可移動(dòng)電子。
73.一種探測(cè)電離輻射的設(shè)備，包括厚度至少為0.5毫米、至少有三個(gè)電極的半導(dǎo)體，包括陰極、陽(yáng)極和控制電極，還包括在半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電荷云的電離輻射、制作在半導(dǎo)體上的電極，以及偏置電極以便在半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電場(chǎng)的裝置，這樣電場(chǎng)模式使電離輻射產(chǎn)生的電荷云向陽(yáng)極聚集，因此顯著地降低了陽(yáng)極上的半導(dǎo)體空穴俘獲效應(yīng)，其中輻射探測(cè)器的可探測(cè)能量高于20KeV。
74.根據(jù)權(quán)利要求73的設(shè)備，其中控制電極的偏置電壓低于陽(yáng)極偏置電壓。
75.根據(jù)權(quán)利要求73的設(shè)備，其中半導(dǎo)體具有數(shù)個(gè)側(cè)面，控制電極和陽(yáng)極制作在與制作陰極的側(cè)面相對(duì)的半導(dǎo)體側(cè)面，控制電極環(huán)繞陽(yáng)極。
76.根據(jù)權(quán)利要求73的設(shè)備，其中陽(yáng)極包括觸點(diǎn)。
77.根據(jù)權(quán)利要求73的設(shè)備，其中控制電極連接到電容器，電容器連接到地電位，控制電極和電容器充電到由陽(yáng)極和陰極電壓確定的電壓值。
78.一種輻射探測(cè)器陣列，包括a)具有數(shù)個(gè)側(cè)面、厚度至少為0.5毫米的半導(dǎo)體；b)制作在至少一個(gè)半導(dǎo)體側(cè)面的陰極；c)制作在至少一個(gè)半導(dǎo)體側(cè)面的陽(yáng)極陣列；和d)制作在至少一個(gè)半導(dǎo)體側(cè)面的控制電極圖形，用于將半導(dǎo)體內(nèi)部的電離現(xiàn)象產(chǎn)生的電荷云導(dǎo)向各自的陽(yáng)極，并顯著地降低陽(yáng)極陣列上的半導(dǎo)體空穴俘獲效應(yīng)，控制電極圖形配置得使之可以影響陽(yáng)極陣列中的各個(gè)陽(yáng)極，其中，輻射探測(cè)器可有效探測(cè)的能量高于20KeV。
79.根據(jù)權(quán)利要求78的輻射探測(cè)器，其中控制電極圖形包括網(wǎng)格圖形。
80.根據(jù)權(quán)利要求78的輻射探測(cè)器，其中各個(gè)陽(yáng)極由控制電極圖形的相應(yīng)部分環(huán)繞；各個(gè)陽(yáng)極和相應(yīng)的部分構(gòu)成一個(gè)象素。
81.根據(jù)權(quán)利要求78的輻射探測(cè)器，其中陽(yáng)極陣列中的至少部分陽(yáng)極在電氣上相連。
82.根據(jù)權(quán)利要求18的輻射探測(cè)器，其中Vc＝Vb。
83權(quán)利要求18的輻射探測(cè)器，其中控制電極連接到偏置電極。
84.根據(jù)權(quán)利要求18的輻射探測(cè)器，其中控制電極是偏置電極的一部分。
85.根據(jù)權(quán)利要求32的輻射探測(cè)器，其中Vc＝Vb。
86.根據(jù)權(quán)利要求32的輻射探測(cè)器，其中控制電極連接到偏置電極。
87.根據(jù)權(quán)利要求32的輻射探測(cè)器，其中控制電極是偏置電極的一部分。
88.根據(jù)權(quán)利要求50的方法，包括偏置陰極和控制電極的步驟，使得Vc＝Vb。
89.根據(jù)權(quán)利要求49的方法，其中控制電極連接到偏置電極。
90.根據(jù)權(quán)利要求49的方法，其中控制電極是偏置電極的一部分。
91.根據(jù)權(quán)利要求62的系統(tǒng)，其中控制電極具有電壓Vc，Vc＝Vb。
92.根據(jù)權(quán)利要求57的系統(tǒng)，其中控制電極連接到陰極。
93.根據(jù)權(quán)利要求57的系統(tǒng)，其中控制電極是陰極的一部分。
94.根據(jù)權(quán)利要求63的系統(tǒng)，其中控制電極偏置到與陰極相同的電壓。
95.根據(jù)權(quán)利要求63的系統(tǒng)，其中控制電極連接到陰極。
96.根據(jù)權(quán)利要求63的系統(tǒng)，其中控制電極是偏置電極的一部分。
97.根據(jù)權(quán)利要求73的設(shè)備，其中控制電極偏置到與陰極偏置電壓相同的電壓。
98.根據(jù)權(quán)利要求73的設(shè)備，其中控制電極連接到陰極。
99.根據(jù)權(quán)利要求73的設(shè)備，其中控制電極是陰極的一部分。
100.根據(jù)權(quán)利要求78的輻射探測(cè)器，其中控制電極具有電壓Vc，陰極具有電壓Vb，Vc＝Vb。
101.根據(jù)權(quán)利要求78的輻射探測(cè)器，其中控制電極連接到陰極。
102.根據(jù)權(quán)利要求78的輻射探測(cè)器，其中控制電極是陰極的一部分。
全文摘要
一種探測(cè)電離輻射的輻射探測(cè)器。探測(cè)器包括具有至少兩個(gè)側(cè)面的半導(dǎo)體(502)。偏置電極(504)制作在半導(dǎo)體(502)的一個(gè)側(cè)面上。信號(hào)電極(506)制作在半導(dǎo)體(502)的一個(gè)側(cè)面上,用于探測(cè)電離輻射的能量值。第三電極(508)(控制電極)也制作在半導(dǎo)體(502)上。電荷云靠近信號(hào)電極(506)時(shí),控制電極(508)和信號(hào)電極(506)共享由電離輻射產(chǎn)生的電荷?？刂齐姌O(508)還調(diào)節(jié)半導(dǎo)體(502)的內(nèi)部電場(chǎng)(518),這樣,當(dāng)電荷云接近信號(hào)電極(506)時(shí),電場(chǎng)將電荷云導(dǎo)向信號(hào)電極(506)。結(jié)果,減小了傳遞輻射信號(hào)的電荷(即電子或空穴)的俘獲效應(yīng),有效地消除了低能拖尾效應(yīng)。
文檔編號(hào)H01L27/146GK1203669SQ96198760
公開(kāi)日1998年12月30日 申請(qǐng)日期1996年10月4日 優(yōu)先權(quán)日1995年10月13日
發(fā)明者B·阿波托維斯基, C·L·林格倫, A·奧加內(nèi)斯彥, 皮波, J·F·布特勒, F·P·多泰, R·L·肯維爾, S·J·弗里森哈恩 申請(qǐng)人:迪吉雷德公司