Твердотельный гейгеровский детектор с активной схемой восстановления

Твердотельный гейгеровский детектор с активной схемой восстановления

Реферат

Изобретение относится к системам с высокой эффективностью регистрации светового излучения при помощи лавинных фотодиодов со схемой гашения гейгеровского разряда.

Известен твердотельный гейгеровский однофотонный детектор (IEEE Photonics Technology Letters, Vol.15, No.7, July 2003, p.963-965), содержащий лавинный фотодиод, анод которого соединен с шиной напряжения смещения, катод соединен с первым электродом резистора гашения.

К шине напряжения смещения приложено напряжение, превышающее пробойное напряжение лавинного фотодиода, что обеспечивает работу устройства в гейгеровском режиме. При попадании кванта оптического излучения в активную область детектора, в нем развивается самогасящийся гейгеровский разряд. Гашение, то есть прекращение разряда, происходит из-за падения на р-п-переходе напряжения до значений ниже пробойного, что обеспечивает схема гашения разряда.

В данном случае схема гашения лавинного разряда является пассивной, и представляет собой последовательно включенное с лавинным фотодиодом сопротивление. Развитие лавины, перезаряд паразитной емкости детектора и нарастание тока во внешней цепи происходят достаточно быстро (около 2-5 нс). После прекращения лавинного разряда происходит восстановление детектора в исходное состояние путем зарядки емкости диода через сопротивление схемы гашения до исходного напряжения, превышающего пробойное. Время восстановления определяется RC-цепи и может составлять 20-40 нс. В течение этого времени детектор невосприимчив к регистрируемому излучению и его динамический диапазон уменьшается. В этом устройстве из детекторов формируют многоэлементные приемники, поэтому важно, чтобы схемы гашения и восстановления в каждом одиночном детекторе были компактными, занимали небольшую площадь и не закрывали активную часть детектора от излучения.

Известен твердотельный гейгеровский однофотонный детектор с активным восстановлением (XVI The 16-th European Conference on Solid-State Transducers. September 15-18, 2002, Prague, Czech Republic, p.482-483), содержащий лавинный фотодиод, анод которого соединен с шиной напряжения смещения, катод соединен с первым электродом резистора гашения, ключевой транзистор восстановления.

Недостаток такого устройства заключается в том, что: 1) схема восстановления достаточно громоздка, содержит компаратор, инвертор, другие схемы, обеспечивающие открытие транзистора восстановления с задержкой, достаточной для гашения лавинного процесса в фотодиоде, и требует значительной площади для размещения, что ограничит минимальные размеры одиночного детектора, а тем самым, и количество детекторов в многоэлементном приемнике, ограничивая его динамический диапазон; 2) формирование схемы восстановления требует полноценного КМОП технологического процесса, что усложняет и удорожает устройство в целом; 3) внутренние суммарные задержки схемы восстановления могут превышать требуемое время задержки восстановления детектора в исходное состояние, во избежание чего потребуется использование высококачественного КМОП технологического процесса с проектными нормами не хуже 0,5-1,0 мкм, что также приведет к удорожанию устройства в целом.

Известен твердотельный гейгеровский однофотонный детектор с активным восстановлением (US 6,541,752 В2, Apr.1, 2003), содержащий лавинный фотодиод, анод которого соединен с шиной напряжения смещения, катод соединен с первым электродом резистора гашения, ключевой транзистор восстановления.

Данное устройство является ближайшим к предлагаемому техническому решению.

Устройство работает следующим образом. Лавинный ток фотодиода, протекая через резистор гашения, приводит к изменению напряжения на его первом электроде. Это напряжение поступает через блок задержки на блок восстановления, который обеспечивает открытие транзистора восстановления. Тем самым шунтируется резистор гашения и происходит быстрое восстановление детектора в исходное состояние.

Недостаток такого устройства заключается в том, что схема восстановления также достаточно громоздка, требует значительной площади для размещения, что приведет к затенению активной части детектора и ограничению минимальных размеров одиночного детектора, а значит, к уменьшению эффективности регистрации и ограничению динамического диапазона многоэлементного устройства. Формирование схемы восстановления требует полноценного КМОП технологического процесса, что усложняет и удорожает устройство.

Техническим результатом изобретения является увеличение динамического диапазона детектора, а также эффективности регистрации.

Технический результат достигается тем, что твердотельный гейгеровский детектор с активной схемой восстановления, содержащий лавинный фотодиод, анод которого соединен с шиной напряжения смещения, катод соединен с первым электродом резистора гашения, ключевой транзистор восстановления, при этом детектор содержит дополнительный резистор гашения, первый электрод которого соединен со вторым электродом резистора гашения, истоком ключевого транзистора восстановления, затвор которого соединен с первым электродом резистора гашения, а сток соединен со вторым электродом дополнительного резистора гашения и шиной питания детектора, причем ключевой транзистор восстановления изготовлен в виде транзистора со встроенным каналом.

Технических решений, содержащих признаки, сходные с отличительными, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».

В заявляемом техническом решении исходный резистор гашения как бы разделен на два последовательно включенных резистора: резистор гашения и дополнительный резистор гашения. Состояние ключевого транзистора определяется величиной падения напряжения на резисторе гашения. При восстановлении детектора, в начальные моменты времени, постоянная времени определяется также произведением суммы величин резисторов гашения на емкость детектора, что обеспечивает необходимую задержку для гашения лавинного процесса в диоде. Однако, когда падение напряжения на резисторе гашения станет меньше порогового напряжения ключевого транзистора, он замыкается и шунтирует дополнительный резистор гашения, значительно уменьшая время восстановления детектора.

Тем самым, новая совокупность признаков позволяет сделать заключение о соответствии заявляемого технического решения критерию «изобретательский уровень».

На чертеже приведена принципиальная схема детектора в случае, когда на шину напряжения смещения приложено отрицательное напряжение смещения, а шина питания детектора, импульсы тока в которой могут являться информационными сигналами, близка к потенциалу земли. В качестве ключевого транзистора используется nМОП транзистор со встроенным каналом.

На чертеже изображено: 1 - лавинный фотодиод, 2 - резистор гашения, 3 - дополнительный резистор гашения, 4 - ключевой транзистор восстановления, 5 - шина напряжения смещения, 6 - шина питания детектора, 7 - паразитная емкость лавинного фотодиода.

Как показано на Фиг.1, анод лавинного фотодиода 1 детектора соединен с шиной напряжения смещения 5, а катод - с первым электродом резистора гашения 2 и затвором ключевого транзистора восстановления 4, исток которого соединен со вторым электродом резистора гашения 2 и первым электродом дополнительного резистора гашения 3, второй электрод которого соединен со стоком ключевого транзистора восстановления 4 и шиной питания детектора 6. Параллельно фотодиоду подключена паразитная емкость 7.

Устройство работает следующим образом.

Исходно ток через лавинный фотодиод 1 не протекает, и к нему приложено напряжение больше пробойного. Поскольку ток не протекает и через резистор гашения 2, то напряжение затвор-исток ключевого транзистора восстановления 4 равно нулю, а поскольку транзистор со встроенным каналом (его пороговое напряжение отрицательно), то он замкнут и шунтирует дополнительный резистор гашения 3. При попадании Кванта оптического излучения в активную область фотодиода 1, в нем развивается лавинный разряд и начинает протекать ток, вследствие чего напряжение на затворе ключевого транзистора восстановления 4 начинает уменьшаться относительно напряжения на его истоке. Когда эта разность превысит значение порогового напряжения транзистора, он разомкнется, и весь ток фотодиода потечет через последовательно соединенные резисторы гашения 2 и 3. При дальнейшем увеличении тока, падение напряжения на этих резисторах приведет к уменьшению напряжения на фотодиоде до значений, меньших пробойного, и прекращению дальнейшего развития лавинного процесса.

При восстановлении детектора, в начальные моменты времени, постоянная времени определяется произведением суммы величин резисторов гашения 2 и 3 на сумму емкостей подключенных элементов, что обеспечивает необходимую задержку для гашения лавинного процесса в диоде. Однако, когда падение напряжения на резисторе гашения 2 станет меньше порогового напряжения ключевого транзистора восстановления 4, он замыкается и шунтирует дополнительный резистор гашения 3.

Пусть величина резистора гашения 2 R₂ равна 40 кОм, величина дополнительного резистора гашения 3 R₃ равна 360 кОм, пороговое напряжение ключевого транзистора восстановления 4 равно -0,3 В, разность напряжений на шинах питания детектора 6 и напряжения смещения 5 составляет 50 В, пробойное напряжение лавинного фотодиода 46 В, а его емкость 0,05 пФ. При развитии лавинного разряда и возрастании тока до 7,5 мкА, падение напряжения на резисторе R2 составит 40 кОм×7,5 мкА=0,3 В и ключевой транзистор 4 разомкнется. Приложенное к фотодиоду напряжение уменьшится на (40 кОм+360 кОм)×7,5 мкА=3 В, то есть до 47 В. Дальнейшее увеличение тока до 10 мкА приведет к уменьшению до 46 В и прекращению лавинного процесса.

Восстановление начнется с постоянной времени, равной 0,05 пФ×(40 кОм+360 кОм)=20 нс, однако уже через 6 нс напряжение на резисторах уменьшится с 4 В до 4×ехр(-6 нс/20 нс) В=3 В, а, значит, напряжение затвор-исток ключевого транзистора восстановления 4 превысит пороговое и он замкнется. С этого момента восстановление детектора продолжится с постоянной времени 0,05 пФ×40 кОм=2 нс. Суммарное время восстановления не превысит 8 нс, т.е. уменьшится в 2,5 раза.

Формирование встроенного канала в транзисторе осуществляется при его изготовлении путем изменения дозы легирования области канала и не требует дополнительных технологических операций. В то же время, активная схема восстановления содержит транзистор только одного типа проводимости, что существенно упрощает технологический процесс.

Преимущество предлагаемого технического решения заключаются в том, что оно позволяет: 1) увеличить динамический диапазон построенных на основе одиночных детекторов многоэлементных приемников за счет возможности размещения большего числа таких детекторов на отведенной площади; 2) увеличить эффективность регистрации света за счет меньшего затенения детектора активной схемой восстановления; 3) упростить схему и использовать менее сложные технологические процессы формирования активной схемы восстановления.

Твердотельный гейгеровский детектор с активной схемой восстановления, содержащий лавинный фотодиод, анод которого соединен с шиной напряжения смещения, катод соединен с первым электродом резистора гашения, ключевой транзистор восстановления, отличающийся тем, что детектор содержит дополнительный резистор гашения, первый электрод которого соединен со вторым электродом резистора гашения, истоком ключевого транзистора восстановления, затвор которого соединен с первым электродом резистора гашения, а сток соединен со вторым электродом дополнительного резистора гашения и шиной питания детектора, причем ключевой транзистор восстановления изготовлен в виде транзистора со встроенным каналом.