Биполярная ячейка координатного фотоприемника - детектора излучений



Биполярная ячейка координатного фотоприемника - детектора излучений
Биполярная ячейка координатного фотоприемника - детектора излучений

 


Владельцы патента RU 2583857:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (RU)

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам радиационных частиц. Изобретение обеспечивает повышение эффективности регистрации оптических и глубоко проникающих излучений и повышение быстродействия детектора излучений. Биполярная ячейка координатного фотоприемника - детектора излучений может использоваться в современных системах дальнометрии, управления неподвижными и движущимися объектами, зондирования облачности и контроля рельефа местности, оптических линий связи. Технический результат достигается за счет применения новой электрической схемы, в которой имеется собирающий ионизационный ток p-i-n-диод, а также 2-эмиттерный биполярный n-p-n (p-n-p)транзистор, первый эмиттер которого подключен соответственно к первой выходной адресной шине, а второй - ко второй выходной адресной шине, а база биполярного транзистора через резистор подключена к шине напряжения смещения, а коллектор - к шине питания. При этом данная электрическая схема реализуется в конструкции интегральной схемы, в которой функционально совмещены высоковольтный p-i-n-диод и низковольтный усиливающий ионизационный ток биполярный транзистор. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к полупроводниковым монолитным координатным фотоприемникам и детекторам радиационных частиц и излучений.

Известны ячейки (пиксели) для монолитных 2-мерных матриц детекторов, которые построены: на основе p-i-n-диода, который не обеспечивает усиления сигнала в пикселе и, следовательно, быстродействие и чувствительность детектора (1. D. Patti etal United States Patent № US 6,465,857,B1 Date Oct. 15.2002, US 006465857 B1), диодно-емкостной структуре, которая не обеспечивает быстродействие (2. I. Peric; «А novel monolithic pixelated particle detector implemented in high-voltage CMOS technology», Nucl. Inst. Meth. Band A 582, pp. 876-885, August 2007), DEPMOS - МОП транзисторе с управлением по подложке, которые имеют низкую крутизну и относительно высокий уровень шумов (3. J. Kemmer, G. Lutz: Nucl. Instrum. Methods A 273, 588-598 (1988)), на функционально-интегрированных БИ-МОП, n-МОП транзисторных структурах имеют нелинейность усиления при малом уровне сигнала (4. Интегральная Би-МОП ячейка детектора излучений (патент РФ №2383968 от 20.03.2006; 5. МОП диодная ячейка монолитного детектора излучений, патент РФ №2494497 от 21.07.2011).

Наиболее близкой по технической сущности является ячейка на биполярной транзисторной структуре для 2-мерной матрицы фотоприемника - детектора излучений, которая представлена в патенте (6. Интегральная ячейка детектора излучения на основе биполярного транзистора с сетчатой базой, патент РФ №2427942, опублик. 08.04.2010).

Данная электрическая схема и конструкция ячейки (пиксели) выбрана в качестве прототипа.

Данная ячейка на биполярной транзисторной структуре с сетчатой базой содержит полупроводниковую подложку, в которой расположена область коллектора 1-го типа проводимости, на которой имеется электрод коллектора, в области коллектора расположена область базы, 2-го типа проводимости, в области базы расположена область эмиттера 1-го типа проводимости, на которой расположен электрод эмиттера, отличающаяся тем, что область базы 2-го типа проводимости выполнена в виде сетки, при этом величины областей пространственного заряда, образованные p-n переходами коллектор - база, превышают расстояние между соседними линиями сетчатой базы.

Данная ячейка имеет относительно низкое напряжение пробоя (менее 70 В), что не позволяет достичь максимально возможных величин области пространственного заряда (ОПЗ), например, в кремниевой подложке, толщина которой составляет обычно 300-460 мкм, небольшая глубина ОПЗ не позволяет соответственно эффективно детектировать излучения, имеющие большую глубину проникновения в полупроводниковый материал подложки (например, рентгеновского или релятивистского электронного излучений). Кроме этого большая величина ОПЗ в коллекторном переходе транзистора существенно ограничивает его быстродействие.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности регистрации глубоко проникающих излучений и повышение быстродействия детектора излучений.

Технический результат достигается за счет:

- электрической схемы, которая содержит дополнительную шину положительного (отрицательного) напряжения питания, к которой подключен коллектор биполярного транзистора, дополнительную шину напряжения смещения, подключенную через резистор к базе 2-эмиттерного биполярного транзистора.

Данная электрическая схема реализуется с помощью оригинальной конструкции интегральной схемы, в которой функционально совмещены высоковольтный p-i-n-диод и низковольтный усиливающий ионизационный ток 2-эмиттерного биполярного транзистора.

- конструкции ячейки, в которой имеется дополнительная область 1-го типа проводимости, расположенная в области анода (катода) p-i-n-диода и базы 2-го типа проводимости, являющаяся областью коллектора 2-эмиттерного биполярного транзистора, на которой расположен электрод коллектора, подключенный к шине положительного (отрицательного) напряжения питания.

Изобретение поясняется приведенными чертежами:

- электрическая схема изобретения, приведенная на фиг. 1, содержит 2-эмиттерный n (р) биполярный транзистор Т1, база которого через резистор R подключена к шине напряжения смещения VСМ и аноду (катоду) диода, катод (анод) которого подсоединен к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания +VDD, первый эмиттер транзистора подсоединен к адресной шине - X, второй эмиттер к адресной шине - Y, его коллектор подсоединен к шине положительного (отрицательного) напряжения питания VCC;

- конструкция изобретения показана на фиг. 2.

Ячейки 2-мерной матрицы содержат шину высокого положительного (отрицательного) напряжения питания +VDD, шину напряжения смещения VСМ, первую - X, и вторую - Y выходные ортогональные адресные шины, полупроводниковую подложку 1-го типа проводимости - 1, на нижней поверхности которой расположен сильно легированный слой 1-ого типа проводимости - 2, на котором расположен электрод подложки - 3, подсоединенный к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания +VDD, а на верхней поверхности подложки расположены область 2-го типа проводимости - 4, являющаяся одновременно p (n) областью анода (катода) p-i-n-диода и областью базы 2-эмиттерного биполярного транзистора, на ней расположен электрод базы - 5, которая подсоединена к первому электроду - 6 резистора - 7, расположенного на диэлектрике - 8, второй электрод резистора - 9 подключен к шине напряжения смещения VСМ, в области базы расположены две сильнолегированные области n (p) типа проводимости первого - 10 и второго - 11 эмиттеров, соответствующими электродами - 12, 13 подключенные соответственно к первой - X и второй - Y выходным ортогональным адресным шинам, по границе ячейки расположена n+(p+) охранная область - 14, в области базы 2-го типа проводимости - 4 расположена дополнительная область коллектора - 15 2-эмиттерного биполярного транзистора, с расположенным на ней электродом коллектора - 16, соединенным с шиной положительного (отрицательного) напряжения питания VCC.

Пример конкретной технологической реализации изобретения

Двумерная матрица пиксель-ячеек детектора может быть выполнена по стандартной биполярной технологии, используемой при изготовлении интегральных схем, например по следующему технологическому маршруту:

а) формирование n+ - контактной области - 2 к пластине кремния - 1 сопротивлением ρv~5 кОм/см с ориентацией 100, например, диффузией фосфора в обратную сторону пластины;

б) проведение фотолитографии и формирование ионным легированием бора (дозой 4 мкКл и высокотемпературным отжигом 4 часа при температуре 1050°С), p-базы - 4 глубиной h=4 мкм;

в) проведение фотолитографии и формирование ионным легированием фосфора (дозой 0,5 мкКл), n-охранной области вокруг пиксели;

г) проведение термического окисления, толщина оксида h=0,8 мкм, и проведение фотолитографии мезаобластей;

д) проведение термического окисления открытой поверхности кремния, толщина оксида h=0,3 мкм, и проведение фотолитографии контактных окон эмиттера, базы, коллектора;

е) проведение фотолитографии и формирование области коллектора путем имплантации фосфора дозой 2,5 мкКл в его контактное окно, с последующей разгонкой на глубину h=2 мкм;

ж) осаждение поликремния и проведение по нему фотолитографии разводки;

з) проведение фотолитографии ионного легирования поликремния мышьяком дозой 1000 мкКл областей эмиттера и коллектора;

и) проведение фотолитографии ионного легирования поликремния бором дозой 300 мкКл области контакта к базе и резистору

к) проведение фотолитографии ионного легирования поликремния бором дозой 5 мкКл (резистора);

л) проведение термического отжига при температуре 1050°С 50 мин;

м) осаждение первого плазмохимического (низкотемпературного) оксида и проведение фотолитографии контактных окон к поликремнию, осаждение первого слоя алюминия;

н) проведение фотолитографии разводки (обтрава) алюминия первого уровня;

о) осаждение второго плазмохимического (низкотемпературного) оксида и проведение фотолитографии контактных окон к алюминию первого уровня, осаждение второго слоя алюминия;

п) проведение операции фотолитографии разводки (обтрава) второго алюминия.

Изготовленные по данной технологии тестовые n-p-n биполярные транзисторы имели пробивное напряжение Vкэ около 12 В, а p-i-n-диоды - пробивное напряжение Vпр свыше 250 В. Коэффициент усиления имел значения в пределах β=50-100.

1. Биполярная ячейка, которая содержит шину высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, первую и вторую выходные ортогональные адресные шины, 2-эмиттерный биполярный n-p-n (p-n-p) транзистор, первый эмиттер которого подключен соответственно к первой выходной адресной шине, а второй - ко второй выходной адресной шине, отличающаяся тем, что дополнительно содержит шину напряжения смещения, которая через резистор подключена к базе 2-эмиттерного биполярного транзистора, p-i-n-диод, катод (анод) которого соединен с шиной высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, анод (катод) - с базой 2-эмиттерного биполярного транзистора, а коллектор - с дополнительной шиной положительного (отрицательного) напряжения.

2. Конструкция биполярной ячейки содержит шины высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, первую и вторую выходные ортогональные адресные шины, полупроводниковую подложку 1-го типа проводимости, на нижней поверхности которой расположен сильно легированный слой 1-го типа проводимости, на котором расположен электрод подложки, подсоединенный к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, а на верхней поверхности подложки расположены диэлектрик и область 2-го типа проводимости, являющаяся одновременно p (n) областью анода (катода) p-i-n-диода и областью базы 2-эмиттерного биполярного транзистора, которая подсоединена через резистор, расположенный на диэлектрике, к шине напряжения смещения, в области базы расположены сильнолегированные области n (p) типа проводимости первого и второго эмиттеров, подключенные соответственно к первой и второй выходным ортогональным адресным шинам, отличающаяся тем, что в области анода (катода) p-i-n-диода и базы 2-го типа проводимости расположена дополнительная область 1-го типа проводимости, являющаяся одновременно областью коллектора 2-эмиттерного биполярного транзистора, на которой расположен электрод коллектора, подключенный к шине положительного (отрицательного) напряжения питания, а дополнительная шина напряжения смещения через резистор соединена с базой транзистора и шиной напряжения смещения.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений в электрическую энергию (э.д.с). Согласно изобретению предложен кремниевый монокристаллический многопереходный фотоэлектрический преобразователь оптических и радиационных излучений, содержащий диодные ячейки с расположенными в них перпендикулярно горизонтальной светопринимающей поверхности вертикальными одиночными n+-p--p+(p+-n--n+) переходами и расположенными в диодных ячейках параллельно к светопринимающей поверхности горизонтальными n+-p-(p+-n-) переходами, причем все переходы соединены в единую конструкцию металлическими катодными и анодными электродами, расположенными соответственно на поверхности областей n+(p+) типа вертикальных одиночных n+-p--p+(p+-n--n+) переходов, при этом он содержит в диодных ячейках дополнительные вертикальные n+-p-(p+-n-) переходы, причем их области n+(p+) типа подсоединены соответственно областями n+(p+) типа n+-p-(p+-n-) горизонтальных переходов к областям - n+(p+) типа вертикальных одиночных n+-p--p+(p+-n--n+) переходов, при этом на его нижней и боковых поверхностях расположен слой диэлектрика толщиной менее длины пробега радиационных частиц в диэлектрике, на поверхности которого размещен слой радиоактивного металла толщиной, равной длине пробега электронов в металле, при этом расстояние между электродами диодных ячеек не превышает 2-х длин пробега радиационных частиц.

Изобретение относится к области полупроводниковых оптоэлектронных устройств, в частности к фотодетекторам с высокой эффективностью регистрации света. Ячейка для фотоэлектронного умножителя на основе кремния согласно изобретению содержит первый слой (2) первого типа проводимости, второй слой (3) второго типа проводимости, сформированный на первом слое (2), причем первый слой (2) и второй слой (3) формируют первый p-n-переход.

Изобретение может найти применение для регистрации излучений в ядерной физике, в физике высоких энергий, а также при создании цифровых рентгеновских аппаратов, преимущественно маммографов.

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам радиационных частиц. МОП диодная ячейка монолитного детектора излучений содержит МОП транзистор, шину высокого положительного (отрицательного) напряжения питания и выходную шину, при этом для повышения качества детектирования, т.е.

Изобретение относится к области детектирования ионизирующих излучений с использованием полупроводниковых устройств и может быть использовано в научно-исследовательском оборудовании и средствах радиационной защиты.

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам радиационных частиц. .

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам радиационных частиц. .

Изобретение относится к области приборостроения и может найти применение для измерения основных параметров нейтронных потоков. .

Изобретение относится к микроэлектронике, и в частности к созданию матричных детекторов релятивистских частиц. .

Изобретение относится к твердотельным детекторам ионизирующих излучений. .

Изобретение относится к системе визуализации и более конкретно к детектору со счетом фотонов с разрешением по энергии. Система визуализации содержит источник излучения, испускающий излучение, проходящее через область исследования, и детекторную матрицу с множеством пикселей детектора со счетом фотонов, которые детектируют излучение, проходящее через область исследования, и соответствующим образом генерируют сигнал, показывающий детектированное излучение.

Использование: для регистрации электромагнитного излучения со сложным спектральным составом. Сущность изобретения заключается в том, что полупроводниковый комбинированный приемник электромагнитного излучения включает соосно расположенные каналы регистрации оптического и жесткого электромагнитного излучения, созданный на основе чередующихся эпитаксиально согласованных слоев чувствительных в соответствующих спектральных диапазонах полупроводниковых материалов с электронно-дырочными переходами или без них, чувствительные слои располагают по разные стороны подложки, толщина чувствительного к жесткому электромагнитному излучению материала приемника на два порядка больше, чем у чувствительного материала фотоприемника, в качестве фильтра для приемника жесткого электромагнитного излучения, обрезающего излучение оптического диапазона, используют слой чувствительного к этому излучению полупроводникового материала, на основе которого формируют фотоприемник оптического диапазона.

Изобретение относится к детектору для обнаружения высокоэнергетического излучения. Детектор (100) излучения содержит преобразовательный элемент (102) для преобразования падающего высокоэнергетического излучения (X) в зарядовые сигналы, катод (101) и решетку (104) анодов (103), расположенные на разных сторонах преобразовательного элемента, для генерации электрического поля (Е0, Ed) в преобразовательном элементе (102), при этом преобразовательный элемент (102) имеет пространственную неоднородность, за счет которой напряженность упомянутого электрического поля (Е0, Ed) увеличивается в первой области (Rd) вблизи анодной решетки и/или уменьшается во второй области (R0) на удалении от анодной решетки.

Изобретение относится к детектору излучения и соответствующему способу детектирования излучения. Детектор (100-400) излучения содержит элемент-преобразователь (110) для преобразования падающего излучения (X) в электрические сигналы; периодический или квазипериодический массив анодов (130-430), расположенный на первой стороне элемента-преобразователя (110); по меньшей мере два направляющих электрода (140-440), которые расположены примыкающими к двум различным анодам; блок (150) управления, который подсоединен к упомянутым по меньшей мере двум направляющим электродам (140-440) и приспособлен подавать различные электрические потенциалы на упомянутые по меньшей мере два направляющих электрода (140-440), при этом упомянутые потенциалы являются функцией напряжений холостого хода, которые возникают между направляющим электродом (140-440) и соответствующим анодом, когда между соответствующими анодами (130-430) и катодом (120) подается напряжение.

Изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений в электрическую энергию (э.д.с). Согласно изобретению предложен кремниевый монокристаллический многопереходный фотоэлектрический преобразователь оптических и радиационных излучений, содержащий диодные ячейки с расположенными в них перпендикулярно горизонтальной светопринимающей поверхности вертикальными одиночными n+-p--p+(p+-n--n+) переходами и расположенными в диодных ячейках параллельно к светопринимающей поверхности горизонтальными n+-p-(p+-n-) переходами, причем все переходы соединены в единую конструкцию металлическими катодными и анодными электродами, расположенными соответственно на поверхности областей n+(p+) типа вертикальных одиночных n+-p--p+(p+-n--n+) переходов, при этом он содержит в диодных ячейках дополнительные вертикальные n+-p-(p+-n-) переходы, причем их области n+(p+) типа подсоединены соответственно областями n+(p+) типа n+-p-(p+-n-) горизонтальных переходов к областям - n+(p+) типа вертикальных одиночных n+-p--p+(p+-n--n+) переходов, при этом на его нижней и боковых поверхностях расположен слой диэлектрика толщиной менее длины пробега радиационных частиц в диэлектрике, на поверхности которого размещен слой радиоактивного металла толщиной, равной длине пробега электронов в металле, при этом расстояние между электродами диодных ячеек не превышает 2-х длин пробега радиационных частиц.

Изобретение относится к области формирования радиологических изображений, компьютерной томографии (СТ), эмиссионной томографии, радиационных детекторов и их предшествующему уровню техники.

Предлагаемое изобретение «Монолитный быстродействующий координатный детектор ионизирующих частиц» относится к полупроводниковым координатным детекторам ионизирующих частиц.

Изобретение относится к области ядерной физики и может быть использовано для регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц в нейтронном генераторе малого диаметра со статическим (неоткачиваемым) вакуумом.

Изобретение относится к области ядерного приборостроения и может быть использовано при создании измерителей мощности дозы гамма-излучения ядерной энергетической установки, размещаемой на космическом аппарате.
Изобретение относится к области измерительной техники, к измерению электрических свойств кристаллов алмаза, предназначенных для изготовления детекторов ионизирующих излучений.

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам ионизирующих частиц. В емкостной МОП диодной ячейке фотоприемника-детектора излучений применена новая электрическая схема, в которой используются усилительный обогащенный p-МОП транзистор, конденсатор, p-i-n-диод, поликремниевые резисторы, дополнительные p-МОП и n-МОП транзисторы и оригинальной конструкции ячейки координатного фотоприемника-детектора. Также использована функционально-интегрированная структура p-i-n-диода, в которой расположена емкость, разделяющая высокое напряжение, приложенное к p-i-n-диоду, и низкое напряжение питания для КМОП электронных схем. Это позволяет увеличить надежность работы, чувствительность и координатную точность фотоприемника-детектора излучений. 4 ил.
Наверх