Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,737

РАЗРАБОТКА И ИССЕДОВАНИЕ ДЕТЕКТОРА НА ОСНОВЕ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ИНТЕГРИРОВАННОЙ ФОТОДИОДНОЙ ЯЧЕЙКИ

Мурашев В.Н. 1 Леготин С.А. 1 Ельников Д.С. 1 Краснов А.А. 1
1 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего, профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Одной из важных задач современной науки и техники является регистрация и видеоизображение различного вида излучений - от видимого света и до частиц высоких энергий. Для их регистрации коротковолновых и ионизирующих излучений применяются монолитные и гибридные детекторы, которые отличаются по конструкции и принципу действия. В статье рассматривается новый тип детектора, матрица которого содержит функционально-интегрированные фотодиодные ячейки. В статье показано, что детекторы такого типа обладают высокой чувствительностью и рекордным быстродействием, что достигается за счет применения оригинальной электрической схемы и конструкции ячейки, в которой функционально интегрируются подзатворная область МОП транзистора и коллекторная область биполярного транзистора. Проведено моделирование работы детектора на основе данной конструкции.
приемник излучения.
детектор
матрица
функционально-интегрированная ячейка
1. Патент РФ № 2383968 от 20.03.2006.
2. Секен К., Томпсет М. Приборы с переносом заряда: Из-во Мир. 1978. – C. 12-14
3. Скрылев П.А. Разработка и моделирование элементов фото- и рентгеночувствительных БИС : дис. канд. Техн. Наук. – М. 2002. – С. 84-86
4. Andricek L., Lutz G., Reiche M., Richter R.H.: // IEEE Trans. Nucl. 2004. Sci. 51 (3, pt 3), P.1117-1120.
5. Struder L., et al. The MPI/AIT x-ray imager (MAXI) - high speed pn-CCDs for x-ray detection // Nucl. Instr. and Meth. 1990. A288 P.227-235.

Введение

Известны, и широко применяются, ячейки фоточувствительной матрицы, содержащие фоточувствительные МОП структуры получившие название приборы c зарядовой связью [1, 2].

Несомненным достоинством ПЗС-детекторов является «чисто» двумерная картина события и малое число каналов считывания. К недостаткам, кроме малого уровня сигнала, следует отнести, в первую очередь, большое время считывания (десятки миллисекунд) при непрерывной чувствительности устройства, в том числе и в период считывания. Невелики и размеры промышленно выпускаемых детекторов (2 см2). Эти трудности заметно ограничивают возможности применения ПЗС-структур в экспериментах физики высоких энергий.

Важным достоинством ПЗС-структур является «чисто» двумерная картина получаемого изображения и малое число каналов считывания информации. К их недостаткам, следует отнести, малый уровень сигнала (милливольты), большое время считывания (десятки миллисекунд) и невозможность регистрации излучения в момент считывания информации. Кроме этого невелики и размеры промышленно выпускаемых ПЗС матриц (2 см2) применяемых в детекторах. Эти недостатки существенно ограничивают возможность применения ПЗС-приборов в экспериментальных исследованиях физики высоких энергий. В последнее время все большее применение находят фоточувствительные матрицы на основе КМОП-ФД ячеек [3, 4]. Преимуществом КМОП-ФД детектора является возможность непрерываемой регистрации излучения во время считывания информации. Однако КМОП-ФД имеют невысокий квантовый выход (менее 50 %) из-за невысокого коэффициента заполнения активной областью площади ячейки и также не обладают необходимым быстродействием (менее 10 нс) для регистрации одиночных гамма и рентгеновских квантов излучаемых радиоактивными изотопами.

В связи с вышеуказанным авторами статьи предложен новый детектор, содержащий матрицу функционально-интегрированных фотодиодных ячеек в значительной степени лишенный перечисленных недостатков.

Детектор на основе функционально-интегрированной фотодиодной ячейки

На рис. 1, а показана электрическая схема биполярной функционально-интегрированной фотодиодной ячейки (Би-МОП-ФД), которая состоит из биполярного транзистора, коллектор которого подключен к шине питания Udd, база к первому выводу конденсатора и второму выводу фоточувствительный элемента, который обозначен, как источник фототока Iф, первый вывод 4 которого подсоединен к коллектору транзистора, эмиттер которого соединен с разрядной шиной, а второй вывод конденсатора подсоединен к адресной шине.

На рис. 2, б и рис. 3, в показаны соответственно топология и структура интегральной схемы ячейки Би-МОП-ФД, в которой имеется полупроводниковая подложка n-типа 1, на ней расположен электрод питания Udd. Подложка является областью коллектора биполярного транзистора, где расположена область базы 2, в которой находится область эмиттера 4. На поверхности эмиттера расположен электрод разрядной шины Y, а на поверхности области базы 2 расположен подзатворный оксид МОП структуры, на котором расположен затвор 3, образующий электрод адресной шины X.

1-18

Рисунок 1 − Электрическая схема (а), топология (б) и конструкция (в) биполярно-емкостной ячейки фоточувствительной матрицы

Из рис.1 видно активная часть пиксели, в которой происходит генерация носителей заряда − это п-область коллектора, практически равная всей площади пиксели. Такая особенность конструкции позволяет обеспечить близкий к единице квантовый выход.

Как это видно из рис.1 и рис.2 конструкция ячейки пиксели представляет собой Би-МОП элементную базу СБИС, которая может быть изготовлена по стандартной Би-КМОП технологии.

Би-МОП-ФД ячейка работает следующим образом:

1. Режим записи изображения. На шину питания Udd и соответственно на подложку 1 и коллектор n-p-n транзистора подается высокий потенциал, равный Udd. На адресную шину X-затвора МОП структуры 3 (первую обкладку конденсатора) подается низкий нулевой потенциал, а на разрядную шину Y 4 (эмиттер) подается относительно высокий потенциал, например, равный Udd/2. В результате этого оба p‑n перехода биполярного транзистора – коллекторный и эмиттерный – окажутся смещенными в обратном направлении. При освещении пиксели световым или ионизирующим излучением происходит проникновение фотонов через свето-прозрачный затвор и генерация электронно-дырочных пар преимущественно в области коллектора и базы биполярного транзистора, которые под действием электрического поля создают фототок Iф коллекторного
p-n перехода (см. рис. 1, а). Этот ток заряжает МОП конденсатор пиксели на величину заряда, пропорционального количеству световых квантов, попавших в пикселю. Таким образом, заряд в конденсаторе, созданный фототоком коллекторного p-n перехода, несет информацию о дозе излучения.

2. Режим считывания информации. Этот режим осуществляется при одновременной подаче высокого потенциала на затвор МОП структуры 3 (т.е. адресную шину X) высокого потенциала, равного Udd/2, и низкого нулевого потенциала на разрядную шину Y (т. е. эмиттер) биполярного транзистора. В этом случае МОП конденсатор разряжается через эмиттерный переход, создавая тем самым ток базы, который усиливается транзистором в десятки, сотни раз в виде тока эмиттера. Регистрация эмиттерного тока происходит во внешней цепи матрицы пиксели.

3. Режим обнуления. Этот режим фоточувствительной матрицы достигается за счет одновременной подачи нулевых и высоких потенциалов на все разрядные Y и адресные X шины соответственно.

Моделирование работы Би-МОП пиксели

Работоспособность и быстродействие функционально интегрированной пиксели моделировалась с помощью программы PSpice. Разрез Би-МОП-ФД ячейки показан на рис. 2.

2

Рисунок 2 − Разрез Би-МОП-ФД ячейки

Параметры схемы для проектной нормы: LT = 0,8 мкм, площадь ячейки S = 50 мкм2, емкость Cinf = 1,2·10–16 Ф, значение сопротивления резистора Rб варьировалось в широких пределах.

Параметры p-MOSFET для программы PSpice: VTO = –1, Кр = 3·10–5 A/V2, CGSO = 1,5 фФ, CGDO = 0,3 фФ.

Параметры n-p-n биполярного транзистора для программы PSpice: BF = 100, CJE = 0,7×10–15 Ф, CJC = 0,5×10‑14 Ф, TF = 4×10‑12 с.

Результаты моделирования для проектной нормы LT = 0,8 мкм представлены на рис. 3. При этом на рис. 3, а, б показаны временные зависимости напряжения (Uвых) и тока (Iвых) выходного сигнала при воздействии на ячейку релятивистским электроном. На рис. 3, в представлена зависимость максимального выходного тока Iвых(max) от сопротивления Rб в цепи базы биполярного транзистора.

а 2

б 2

в 2

а − зависимость выходного напряжения от времени б − зависимость выходного тока от времени, в − зависимость выходного тока от величины сопротивления нагрузки

Рисунок 3 − Результаты моделирования Би-МОП-ФД ячейки с помощью программы PSpice

Из результатов моделирования следует, что работоспособность пиксели находится в широком диапазоне физико-технологических параметров при:

  • глубине залегания эмиттерного перехода Хэ = 0,1–0,3 мкм;
  • глубине залегания коллекторного перехода Хк = 0,2–1,0 мкм;

При этом быстродействие Би-МОП-ФД ячейки примерно на порядок больше (составляет 2−3 нс), чем ячеек на основе DEPFET [5] и ПЗС [2] структур.

Размеры ячейки матрицы 10·5 мкм определяют координатное разрешение детектора, которое составляет 10 мкм.

Заключение

Показано, что:

  • детекторы с матрицами на основе функционально-интегрированной фотодиодной ячейки позволяют регистрировать отдельные кванты радиоактивных изотопов.
  • при этом позволяет определить характеристики каждого отдельного кванта, т.е. время его прихода с точностью не хуже 10 нс две координаты с разрешением не хуже 10 мкм и квантовым выходом не хуже 90%.
  • конструкция пикселей матрицы детектора представляет собой Би-МОП элементную базу СБИС, которая может быть изготовлена по стандартной Би-КМОП технологии.

Работа выполнена при поддержке соглашения 14.A18.21.0757 от 27.08.2012 г.

Рецензенты:

Кольцов Г.И., д.ф.-м.н., профессор кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников, НИТУ «МИСиС», г. Москва.

Бублик В.Т., д.ф.-м.н., профессор кафедры материаловедения полупроводников и диэлектриков, НИТУ «МИСиС», г. Москва.


Библиографическая ссылка

Мурашев В.Н., Леготин С.А., Ельников Д.С., Краснов А.А. РАЗРАБОТКА И ИССЕДОВАНИЕ ДЕТЕКТОРА НА ОСНОВЕ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ИНТЕГРИРОВАННОЙ ФОТОДИОДНОЙ ЯЧЕЙКИ // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 5.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=10583 (дата обращения: 18.08.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252