(57)【要約】【課題】不純物濃度にバラツキがある検知素子を並列接続して均一の逆方向電圧を印加しても各検知素子の空乏層を所望領域まで伸長させることができ、検知素子の選別が不要でコストダウンを図ることができる放射線センサ及び放射線センサの感度調整方法を提供すること。【解決手段】本発明の放射線センサ（１０）は、それぞれ半導体ダイオードで構成され、二次元状に配置された複数の検知素子（１１）と、各検知素子に対して直列接続された複数の可変コンデンサ（１３）と、各検知素子に対して各可変コンデンサを介して並列に逆方向電圧を印加する印加手段（１２）と、を具備した構成とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ半導体ダイオードで構成され、二次元状に配置された複数の検知素子と、
前記各検知素子に対して直列接続された複数の可変コンデンサと、
前記各検知素子に対して前記各可変コンデンサを介して並列に逆方向電圧を印加する印加手段と、
を具備したことを特徴とする放射線センサ。
【請求項２】
前記各可変コンデンサは、それぞれ直列接続する前記各検知素子に所定の逆方向電圧を印加した際の空乏層が所定幅となるように容量が調整されることを特徴とする請求項１に記載の放射線センサ。
【請求項３】
放射線センサの感度調整方法であって、
前記放射線センサは、
それぞれ半導体ダイオードで構成され、二次元状に配置された複数の検知素子と、
前記各検知素子に対して直列接続された複数の可変コンデンサと、
前記各検知素子に対して前記各可変コンデンサを介して並列に逆方向電圧を印加する印加手段と、
を具備し、
前記各可変コンデンサにそれぞれ直列接続する前記各検知素子に所定の逆方向電圧を印加した際の空乏層が所定幅となるように、前記各可変コンデンサの容量を調整することを特徴とする放射線センサの感度調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ダイオードを検知素子に用いた放射線センサ及び放射線センサの感度調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＰＮ接合の半導体ダイオード（例えば、クリスタル又はアモルファスＳｉダイオード）を用いた放射線センサが提案されている。かかる放射線センサにおいては、Ｐ側電極にマイナス、Ｎ側電極にプラスの電圧（逆方向電圧）を印加して、接合面に空乏層を形成させ、この空乏層を利用して放射線を検出している。空乏層内では電界は存在するが、電導キャリアが存在しないので、電極間に電流は流れない。この空乏層中に放射線が照射されると、放射線はＳｉ原子と衝突して電導キャリアである電子−ホールペアが発生し、電極間に電流が流れる。この電流を検出することによって放射線を検知することができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このようなＰＮ接合構造のダイオードからなる検知素子を用いて放射線センサの検出感度を高めるためには、複数の検知素子を並列接続することにより大面積化すると共に、各検知素子においてダイオードの厚さ（電極間距離）いっぱいまで空乏層を伸長させる逆方向電圧を設定することが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１８１０６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ＰＮ接合構造のダイオードは、ダイオードの厚さ（電極間距離）いっぱいまで空乏層を伸長させるために数百Ｖ程度の印加電圧が必要となるので、周辺回路への負荷が大き過ぎる問題が有る。一方、Ｐ層とＮ層の間に極低濃度のＮ層（＝Ｉ層）を設けたＰＩＮ構造のダイオードを使用すれば、空乏層を伸長させるために必要な印加電圧を大幅に小さくできる。しかしながら、ＰＩＮ構造のダイオードにおけるＩ層の不純物ドーズ量は１０１２台といった低濃度である。このような低濃度領域において不純物濃度のバラツキなく精度よくＳｉ結晶を製造するためには徹底した品質管理が必要である。不純物濃度が小さいほど空乏層が広がりやすいので、不純物濃度のバラツキがあると、ダイオードの厚さいっぱいまで空乏層を伸長させるために必要な逆方向電圧の大きさが素子間で相違する。ダイオードに対して、空乏層を最大限まで伸長させる逆方向電圧よりも高い電圧が印加されると、大電流が流れるアバランシェ降伏が発生する可能性が高まる。このため、不純物濃度にバラツキのある検知素子が並列接続された状態で逆方向電圧を印加することを想定した場合、全体への印加電圧として不純物濃度が最も小さい検知素子に合わせた逆方向電圧を設定しなければならず、ダイオードの厚さいっぱいまで空乏層を伸長させることができない検知素子が存在することになる。逆に、不純物濃度が大きい検知素子に合わせた逆方向電圧を設定すれば不純物濃度が小さい検知素子ではアバランシェ降伏が発生して放射線検知素子として使用できない状態となってしまうという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、不純物濃度にバラツキがある検知素子を並列接続して逆方向電圧を印加しても各検知素子の空乏層を所望領域まで伸長させることができ、検知素子の選別が不要でコストダウンを図ることができる放射線センサ及び放射線センサの感度調整方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の放射線センサは、それぞれ半導体ダイオードで構成され、二次元状に配置された複数の検知素子と、前記各検知素子に対して直列接続された複数の可変コンデンサと、前記各検知素子に対して前記各可変コンデンサを介して並列に逆方向電圧を印加する印加手段と、を具備したことを特徴とする。
【０００８】
この構成により、印加手段から印加される逆方向電圧は、検知素子と当該各検知素子に直列接続された可変コンデンサとで分圧される。各可変コンデンサの容量を各検知素子の不純物濃度のバラツキに対応して個別に調節することができるので、個々の検知素子の電極間に印加される電圧値を個別に調整でき、例えば不純物濃度のバラツキが存在したとしても、全ての検知素子に対して空乏層を最大限まで伸長し得る最適な逆方向電圧を個々の検知素子の電極間に印加することができる。
【０００９】
本発明の放射線センサの感度調整方法は、放射線センサが、それぞれ半導体ダイオードで構成され、二次元状に配置された複数の検知素子と、前記各検知素子に対して直列接続された複数の可変コンデンサと、前記各検知素子に対して前記各可変コンデンサを介して並列に逆方向電圧を印加する印加手段と、を具備し、前記各可変コンデンサにそれぞれ直列接続する前記各検知素子に所定の逆方向電圧を印加した際の空乏層が所定幅となるように、前記各可変コンデンサの容量を調整することを特徴とする。
【００１０】
この構成により、各可変コンデンサに直列接続する検知素子に逆方向電圧を印加した際の空乏層が、所望領域（例えば、最大幅）となるように、前記各可変コンデンサの容量を調整できる。検知素子に形成される空乏層の幅が大きい程、放射線センサの感度が改善されるので、可変コンデンサの容量調整により放射線センサの感度を調整することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、不純物濃度にバラツキがある検知素子を並列接続して逆方向電圧を印加しても各検知素子の空乏層を所望領域まで伸長させることができ、検知素子の選別が不要でコストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施の形態に係る放射線検出センサの全体構成図である。
【図２】本実施の形態に係る１つの検知素子及び印加手段を抜き出した模式図である。
【図３】比較例に係る放射線センサの全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下添付図面を参照して、本実施の形態に係る放射線センサ及び放射線センサの感度調整方法について説明する。図１は、本実施の形態に係る放射線センサの全体構成図である。放射線センサ１０は、複数の検知素子１１ａ〜１１ｎが二次元状に配置されている。複数の検知素子１１ａ〜１１ｎは電源１２（印加手段）に対して並列接続されている。各検知素子１１ａ〜１１ｎの一方の電極（Ｐ側）には可変コンデンサ１３ａ〜１３ｎがそれぞれ直列接続されている。電源１２は、複数の検知素子１１ａ〜１１ｎに対して可変コンデンサ１３ａ〜１３ｎを介して逆方向電圧（Ｖ０）を印加するように構成されている。なお、各検知素子１１ａ〜１１ｎの他方の電極（Ｎ側）に可変コンデンサ１３ａ〜１３ｎがそれぞれ直列接続されても良い。
【００１４】
図２は、１つの検知素子１１ａ及び印加手段を抜き出した模式図である。検知素子１１ａは、クリスタル又はアモルファスＳｉ材料からなる半導体ダイオードで構成されている。同図に示すように、Ｐ層１４とＮ層１５の間に極低濃度のＮ層からなるＩ層１６を設けたＰＩＮ構造のダイオードを例示している。Ｐ層１４にはＰ側電極１７が形成され、Ｎ層１５にはＮ側電極１８が形成されている。Ｐ側電極１７に可変コンデンサ１３ａが直列接続されていて、Ｐ側電極１７とＮ側電極１８の間に可変コンデンサ１３ａを介して電源１２が接続されている。電源１２は検知素子１１ａに対して逆方向電圧が印加されるように、負極が可変コンデンサ１３ａを介してＰ側電極１７に接続され、正極がＮ側電極１８に接続されている。
【００１５】
放射線センサ１０に逆方向電圧Ｖ０が印加されると、ホールｈは負極（Ｐ側電極１７）に引かれ、電子ｅは正極（Ｎ側電極１８）に引かれ、空乏層１６が伸長される。この状態で空乏層１６に放射線が照射されると、放射線がＳｉ原子と衝突し電子ｅ−ホールｈペアが発生して電極間に電流が流れ、この電流を検出することで放射線が検出される。放射線センサ１０では各検知素子１１ａに逆方向電圧を印加して、空乏層１６を、所定幅まで伸長させる。
【００１６】
検知素子１１ａ〜１１ｎには可変コンデンサ１３ａ〜１３ｎが直列接続されているため、逆方向電圧Ｖ０は、各検知素子１１ａ〜１１ｎと各可変コンデンサ１３ａ〜１３ｎに電圧分担される。ここで、例えば検知素子１１ａに蓄えられる電荷の大きさをＱ１、検知素子１１ａの容量をＣ１、検知素子１１ａに空乏層１６を所定幅に形成するための印加電圧をＶ１とし、可変コンデンサ１３ａに蓄えられる電荷の大きさをＱ２、可変コンデンサ１３ａの容量をＣ２、可変コンデンサ１３ａに印加される電圧をＶ２とすると、式（１）、式（２）の関係が導かれる。
Ｖ１＝Ｑ１／Ｃ１  （１）
Ｖ２＝Ｑ２／Ｃ２  （２）
電源１２の電圧をＶ０とすると、以下の式（３）が成立する。
Ｖ０＝Ｖ１＋Ｖ２  （３）
式（３）に示されるように、検知素子１１ａと、検知素子１１ａに直列接続した可変コンデンサ１３ａとからなる直列回路においては、電源１２の逆方向電圧Ｖ０は、検知素子１１ａと可変コンデンサ１３ａとに、それぞれＶ１、Ｖ２となるように分圧される。
【００１７】
上記した放射線センサ１０において、各可変コンデンサ１３ａ〜１３ｎの容量Ｃａ〜Ｃｎを、逆方向電圧（Ｖ０）を印加した際、空乏層１６ａ〜１６ｎが所定幅となる電圧Ｖａ，Ｖｂ，…Ｖｎが検知素子１１ａ〜１１ｎに印加されるように調整する。可変コンデンサ１３ａ〜１３ｎの容量調整は、検知素子１１ａ〜１１ｎの不純物濃度のバラツキに応じて調整されても良い。
【００１８】
検知素子１１ａ〜１１ｎに所定幅（例えば、最大幅）の空乏層を形成するために必要な逆方向電圧がＶａ，Ｖｂ，…Ｖｎ（Ｖａ〜Ｖｎは互いに異なる値とし、Ｖａ＜Ｖｎとする）である場合、放射線センサ１０に電源１２よりＶ０の逆方向電圧が印加されると、電圧分担により可変コンデンサ１３ａ〜１３ｎに電極間電圧（Ｖ０−Ｖａ），（Ｖ０−Ｖｂ），…（Ｖ０−Ｖｎ）が印加される。これにより、各検知素子１１ａ〜１１ｎに適切な電圧Ｖａ，Ｖｂ，…Ｖｎを印加することができる。
【００１９】
図３は、各検知素子に可変コンデンサが直列接続されていない構成の放射線センサを比較例として例示している。各検知素子に対して電源よりＶ０の逆方向電圧が印加されると、各検知素子に均一にＶ０の電圧が印加される。このため、各検出素子の不純物濃度にバラツキがある場合、検知素子に形成される空乏層の大きさにもバラツキが生じて、各検知素子に応じた適切な印加電圧を掛けることができない。
【００２０】
このように、本実施の形態によれば、放射線センサ１０を構成するすべての検知素子に１１ａ〜１１ｎに並列に逆方向電圧（Ｖ０）を印加しても、個々の検知素子１１ａ〜１１ｎにおいては可変コンデンサ１３ａ〜１３ｎの容量を調整することで、それぞれ最適幅の空乏層１６ａ〜１６ｎを形成し得る逆方向電圧Ｖａ，Ｖｂ，…Ｖｎを印加することができる。よって不純物濃度にバラツキがある検知素子１１ａ〜１１ｎを用いた場合であっても、各検知素子１１ａ〜１１ｎを並列接続させ均一の逆方向電圧（Ｖ０）を印加することができるため、検知素子１１ａ〜１１ｎを選別する必要がなく、コストダウンを図ることができる。
【００２１】
本実施の形態によれば、各検知素子１１ａ〜１１ｂの空乏層１６ａ〜１６ｎを、素子間で不純物濃度にバラツキがあってとしても、最大幅まで伸長した状態で放射線を測定することができ、放射線センサ１０の検出感度を最大限まで高めることができる。
【００２２】
本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態においては、検知素子１１としてＰＩＮ構造のダイオードを用いたが、この構成に限定されない。周辺回路が高電圧に耐えられる構成であれば、ＰＮ接合構造の半導体ダイオードを用いる検知素子にも適用可能である。
【符号の説明】
【００２３】
１０  放射線センサ
１１（１１ａ〜１１ｎ）  検知素子
１２  電源（印加手段）
１３（１３ａ〜１３ｎ）  可変コンデンサ
１６（１６ａ〜１６ｎ）  空乏層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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