МАТРИЦА ФОТОДИОДОВ, СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕКОМЕНДУЕМОГО РАБОЧЕГО НАПРЯЖЕНИЯ
PHOTODIODE MATRIX, METHOD FOR DETERMINING REFERENCE VOLTAGE AND METHOD FOR DETERMINING RECOMMENDED OPERATING VOLTAGE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к матрице фотодиодов, способу определения рекомендуемого рабочего напряжения для определения рекомендуемого рабочего напряжения для напряжения обратного смещения, прикладываемого к матрице фотодиодов, и способу определения опорного напряжения для определения опорного напряжения для определения рекомендуемого рабочего напряжения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известна матрица фотодиодов, снабженная множеством лавинных фотодиодов, функционирующих в гейгеровском режиме, и гасящих резисторов, соединенных последовательно с соответствующими лавинными фотодиодами (например, см. Патентную литературу 1). Матрицу фотодиодов такого рода используют в качестве оптического полупроводникового устройства для счетчика фотонов ″MPPC″ (зарегистрированная торговая марка), который также описан в Патентной литературе 1.
ПЕРЕЧЕНЬ ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ПАТЕНТНАЯ ЛИТЕРАТУРА
Патентная литература 1: Японская выложенная патентная заявка № 2008-153311.
НЕПАТЕНТНАЯ ЛИТЕРАТУРА
Непатентная литература 1: MPPC (зарегистрированная торговая марка) Multi-Pixel Photon Counter (многопиксельный счетчик фотонов), техническая информация (май 2009 г.), Hamamatsu Photonics (Хамаматсу Фотоникс) K.K.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ТЕХНИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА
Для вышеупомянутой матрицы фотодиодов, как описано в непатентной литературе 1, определяют рекомендуемое рабочее напряжение для напряжения обратного смещения, прикладываемого к матрице фотодиодов, для получения желаемого усиления (коэффициента лавинного умножения). Как правило, рекомендуемое рабочее напряжение определяют с использованием методики, описанной ниже.
Вышеупомянутый коэффициент лавинного умножения для матрицы фотодиодов может быть рассчитан из выходной величины заряда, при выявлении фотонов матрицей фотодиодов. Этот коэффициент лавинного умножения изменяется в зависимости от напряжения обратного смещения, прикладываемого к матрице фотодиодов. Поэтому напряжение обратного смещения обнаруживается при желаемом значении коэффициента лавинного умножения, рассчитываемого их выходного количества заряда, и это напряжение обратного смещения определяется в качестве рекомендуемого рабочего напряжения.
Между прочим, коэффициент лавинного умножения измеряют, как описано ниже. Усилитель (например, усилитель заряда, и т.п.) соединен с вышеупомянутой матрицей фотодиодов, и распределение частот для выходных величин заряда получается из выходных данных усилителя. Распределение частот для выходных величин заряда получают, вычерчивая график распределения величин аккумулированного заряда в единицу времени. На графике распределения частот для выходных величин зарядов появляется множество отдельных пиков, и пространство между соседними пиками соответствует выходной величине заряда при выявлении одного фотона. По этой причине коэффициент лавинного умножения может быть рассчитан на основе пространства между соседними пиками.
Однако вышеописанная методика измерения коэффициента лавинного умножения имеет проблему, как описано ниже.
Поскольку вышеупомянутая матрица фотодиодов представляет собой твердотельное устройство, генерируется шум, вызванный носителями термогенерированного темнового тока (темнового шума). В частности, в вышеупомянутой матрице фотодиодов темновой шум умножается и генерируется беспорядочно, что затрудняет различение темнового шума и сигнала выявления фотона. А именно, становится сложно отличать частоту возникновения темнового шума (темновой скорости счета) от частоты выявления заданного числа фотонов. По этой причине, отдельные пики при распределении частот выходных величин зарядов появляются с меньшей вероятностью, и таким образом, становится сложно рассчитать сам коэффициент лавинного умножения. В частности, когда матрица фотодиодов сконструирована на большой площади, темновая скорость счета повышается, что создает проблему более существенной сложности измерения коэффициента лавинного умножения.
Усилитель соединяют с матрицей фотодиодов для усиления выходного сигнала из матрицы фотодиодов. По этой причине, на результат измерений существенно влияет изменение характеристик усилителя, что усложняет точный расчет коэффициента лавинного умножения.
Поэтому в вышеописанном способе определения рекомендуемого рабочего напряжения, поскольку рекомендуемое рабочее напряжение определяют на основе коэффициента лавинного умножения, рассчитываемого из выходных величин заряда, становится сложно точно и легко определять рекомендуемое рабочее напряжение.
Поэтому задачей настоящего изобретения является обеспечение способа определения опорного напряжения и способа определения рекомендуемого рабочего напряжения, пригодного для легкого и точного определения рекомендуемого рабочего напряжения для напряжения обратного смещения, прикладываемого к матрице фотодиодов, и опорного напряжения для определения рекомендуемого рабочего напряжения, а также матрицы фотодиодов, для которой коэффициент лавинного умножения определяют на основе заданного рекомендуемого рабочего напряжения.
Изобретатели провели поисковые исследования и раскрыли новые факты, описанные ниже.
При приложении напряжения обратного смещения к матрице фотодиодов, содержащей матрицу, образованную из множества лавинных фотодиодов, функционирующих в гейгеровском режиме, и гасящих резисторов, электрически соединенных своим одним концом с соответствующими лавинными фотодиодами, и при изменении напряжения обратного смещения, ее вольт-амперная характеристика изменяется следующим образом. А именно, после того, как напряжение обратного смещения становится больше напряжения пробоя, лавинные фотодиоды начинают смещаться к области Гейгера; поскольку лавинные фотодиоды начинают смещаться к гейгеровскому режиму, значение тока начинает возрастать. Затем, на кривой зависимости тока от напряжения обратного смещения, при напряжении обратного смещения, при котором максимальное количество лавинных фотодиодов переходит в гейгеровский режим, появляется точка перегиба характеристики. Они возникают вследствие конфигурации, при которой множество лавинных фотодиодов соединены параллельно, и конфигурации, при которой гасящие резисторы соединены последовательно с соответствующими лавинными фотодиодами. Поэтому опорное напряжение можно определить как напряжение обратного смещения в этой точке перегиба характеристики, а рекомендуемое рабочее напряжение может быть задано на основе опорного напряжения, вследствие чего рекомендуемое рабочее напряжение может быть легко и точно определено.
В свете этого факта, аспектом настоящего изобретения является способ определения опорного напряжения для определения опорного напряжения для определения рекомендуемого рабочего напряжения для напряжения обратного смещения, прикладываемого к матрице фотодиодов, содержащей множество лавинных фотодиодов, функционирующих в гейгеровском режиме, и гасящих резисторов, соединенных последовательно с соответствующими лавинными фотодиодами, причем способ содержит: измерение электрического тока при изменении напряжения обратного смещения, прикладываемого к матрице фотодиодов, и определение, в качестве опорного напряжения, напряжения обратного смещения в точке перегиба характеристики при изменении измеренного электрического тока.
В способе определения опорного напряжения согласно настоящему изобретению напряжение обратного смещения в точке перегиба характеристики при изменении измеренного электрического тока определяют в качестве опорного напряжения. Это позволяет нам точно определять опорное напряжение, с небольшим влиянием темнового шума. В настоящем изобретении прикладывают напряжение обратного смещения и измеряют изменение электрического тока в зависимости от изменения напряжения обратного смещения, с получением точки перегиба характеристики на графике изменения. По этой причине, опорное напряжение может быть легко определено.
В качестве опорного напряжения может быть определено напряжение обратного смещения на пике производной первого порядка измеренного электрического тока. Кроме того, в качестве опорного напряжения может быть определено напряжение обратного смещения при нулевом значении производной второго порядка измеренного электрического тока. В любом случае, может быть точно определена точка перегиба характеристики при изменении электрического тока.
Кстати, коэффициент M лавинного умножения матрицы фотодиодов выражается следующей формулой:
M = C × ΔV,
где C представляет собой емкость перехода каждого лавинного фотодиод;. ΔV представляет собой разность потенциалов от напряжения обратного смещения, при котором максимальное количество лавинных фотодиодов переходит в гейгеровский режим, т.е. от опорного напряжения.
Поэтому сразу после определения разности между рекомендуемым рабочим напряжением и опорным напряжением, коэффициент M лавинного умножения определяется однозначным образом. Наоборот, желаемый коэффициент M лавинного умножения может быть достигнут путем добавления к опорному напряжению величины ΔV, удовлетворяющей вышеописанной формуле.
Другим аспектом настоящего изобретения является способ определения рекомендуемого рабочего напряжения, предназначенный для определения рекомендуемого рабочего напряжения для напряжения обратного смещения, прикладываемого к матрице фотодиодов, содержащей множество лавинных фотодиодов, функционирующих в гейгеровском режиме, и гасящих резисторов, соединенных последовательно с соответствующими лавинными фотодиодами, причем способ содержит определение напряжения, полученного путем добавления заданного значения к опорному напряжению, определенного способом определения опорного напряжения, как было задано выше, в качестве рекомендуемого рабочего напряжения.
В способе определения рекомендуемого рабочего напряжения согласно настоящему изобретению напряжение, полученное путем добавления заданного значения к опорному напряжению, определенному вышеупомянутым способом определения опорного напряжения, определяют в качестве рекомендуемого рабочего напряжения. Это позволяет нам точно определять рекомендуемое рабочее напряжение с небольшим влиянием темнового шума и легко определять рекомендуемое рабочее напряжение.
Изобретатели провели поисковые исследования, а также раскрыли новые факты, как описано ниже.
В вольт-амперной характеристике появляется точка перегиба характеристики при изменении электрического тока, при напряжении обратного смещения, при котором максимальное количество лавинных фотодиодов переходит в гейгеровский режим. При дальнейшем повышении напряжения обратного смещения, возникает область, где электрический ток экспоненциально повышается, из-за влияния остаточного импульса и других факторов. В этой точке вновь появляется точка перегиба характеристики. Эти точки перегиба характеристики представляют собой точки перегиба характеристики при перемене от состояния, выгнутого вниз, до состояния, выгнутого вверх, с повышением напряжения обратного смещения. Поэтому, напряжение обратного смещения на части кривой между двумя точками перегиба характеристики на графике изменения тока в зависимости от напряжения обратного смещения может быть задано в качестве рекомендуемого рабочего напряжения, вследствие чего рекомендуемое рабочее напряжение может быть легко и точно определено.
В свете вышеприведенного факта, другим аспектом настоящего изобретения является способ определения рекомендуемого рабочего напряжения для определения рекомендуемого рабочего напряжения для напряжения обратного смещения, прикладываемого к матрице фотодиодов, содержащей множество лавинных фотодиодов, функционирующих в гейгеровском режиме, и гасящих резисторов, соединенных последовательно с соответствующими лавинными фотодиодами, причем способ содержит: измерение электрического тока при изменении напряжения обратного смещения, приложенного к матрице фотодиодов, и определение, в качестве рекомендуемого рабочего напряжения, напряжения обратного смещения на части кривой между двумя точками перегиба характеристики при перемене от состояния, выгнутого вниз, к состоянию, выгнутому вверх, при изменении измеренного электрического тока.
В способе определения рекомендуемого рабочего напряжения согласно настоящему изобретению при изменении измеренного электрического тока, в качестве рекомендуемого рабочего напряжения, определяется напряжение обратного смещения на части кривой между двумя точками перегиба характеристики при перемене от состояния, выгнутого вниз, к состоянию, выгнутому вверх. Это позволяет нам точно определять рекомендуемое рабочее напряжение с небольшим влиянием темнового шума и легко определять рекомендуемое рабочее напряжение.
Другим аспектом настоящего изобретения является матрица фотодиодов, содержащая множество лавинных фотодиодов, функционирующих в гейгеровском режиме, и гасящих резисторов, соединенных последовательно с соответствующими лавинными фотодиодами, в которых коэффициент лавинного умножения задан на основе рекомендуемого рабочего напряжения, определенного способом определения рекомендуемого рабочего напряжения, как описано выше.
В матрице фотодиодов согласно настоящему изобретению, поскольку коэффициент лавинного умножения задан на основе рекомендуемого точно определенного рабочего напряжения, становится выполнимым подавление изменения коэффициента лавинного умножения.
ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение обеспечивает способ определения опорного напряжения и способ определения рекомендуемого рабочего напряжения, пригодный для легкого и точного определения рекомендуемого рабочего напряжения для напряжения обратного смещения, прикладываемого к матрице фотодиодов, и опорного напряжения для определения рекомендуемого рабочего напряжения, а также матрицу фотодиодов, для которой коэффициент лавинного умножения определяют на основе рекомендуемого заданного рабочего напряжения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 представляет собой вид в перспективе матрицы 10 фотодиодов согласно варианту воплощения настоящего изобретения.
Фиг.2 представляет собой (a) разрез вдоль линии II-II матрицы фотодиодов, показанной на Фиг.1, и (b) ее электрическую схему.
Фиг.3 представляет собой электрическую схему всей матрицы фотодиодов согласно варианту воплощения настоящего изобретения.
Фиг.4 представляет собой график, показывающий изменения электрического тока в зависимости от напряжения обратного смещения.
Фиг.5 представляет собой график, показывающий результат производной первого порядка от вольт-амперных характеристик, показанных на Фиг.4, применительно к току.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ
Предпочтительные варианты воплощения настоящего изобретения будут описаны подробно ниже, со ссылкой на прилагаемые чертежи. В описании одинаковые элементы, или элементы с одинаковыми функциями, будут обозначены одинаковыми ссылочными позициями, без дополнительного описания.
Сначала будет описана конфигурация матрицы фотодиодов согласно варианту воплощения настоящего изобретения, со ссылкой на Фиг.1-3. Фиг.1 представляет собой вид в перспективе матрицы фотодиодов, а Фиг.2 представляет собой (a) разрез вдоль линии II-II матрицы фотодиодов, показанной на Фиг.1, и (b) ее электрическую схему. Фиг.3 представляет собой электрическую схему всей матрицы фотодиодов.
В матрице 10 фотодиодов множество фотодиодов D1 (см. Фиг.3) сформированы в полупроводниковой подложке 1N n-типа (первого типа проводимости).
Каждый фотодиод D1 имеет первую полупроводниковую область 1PA p-типа (второго типа проводимости), сформированную на одной стороне поверхности полупроводниковой подложки 1N, и вторую полупроводниковую область 1PB p-типа (второго типа проводимости), сформированную в первой полупроводниковой области 1PA. Вторая полупроводниковая область 1PB имеет более высокую концентрацию примеси, чем первая полупроводниковая область 1PA. Фотодиод D1 имеет первый электрод E1, электрически соединенный с полупроводниковой подложкой 1N, и поверхностный электрод E3, сформированный на второй полупроводниковой области 1PB. Плоскостная форма первой полупроводниковой области 1PA является четырехугольной. Вторая полупроводниковая область 1PB расположена внутри первой полупроводниковой области, и ее плоскостная форма также является четырехугольной. Глубина первой полупроводниковой области 1PA больше, чем глубина второй полупроводниковой области 1PB. Полупроводниковая подложка 1 на Фиг.1 представляет собой полупроводниковую подложку, включающую в себя полупроводниковую подложку 1N n-типа и обе полупроводниковые области 1PA, 1PB p-типа.
В матрице 10 фотодиодов, каждый фотодиод D1 обеспечен первым отражателем E2, содержащим слой металла и резистивный слой (гасящий резистор) R1. Первый отражатель E2 сформирован сквозь изолирующий слой L (см. Фиг.2) на полупроводниковой подложке 1N вне первой полупроводниковой области 1PA. Резистивный слой R1 имеет один конец, продолжающийся до поверхностного электрода E3 и простирающийся вдоль поверхности изолирующего слоя L на первой полупроводниковой области 1PA. На Фиг.1 иллюстрация изолирующего слоя L, показанная на Фиг.2, опущена для ясности структуры.
Первый отражатель E2 состоит из отражателя E21, состоящего из слоя металла L-образной плоскостной формы. Первый отражатель E21 (E2), расположенный на полупроводниковой подложке 1N, электрически изолирован от кольцеобразного поверхностного электрода E3, имеющего первую апертуру. А именно, фотодиод D1 снабжен соответствующими электродами в качестве анода и катода, а поверхностный электрод E3 электрически изолирован от первого отражателя E2. Эта конфигурация четко отличает первый отражатель E2 от поверхностного электрода E3, что повышает степени свободы для конструкции, с точки зрения размещения отражателя в местоположении, пригодном для отражения. Другой конец резистивного слоя R1, соединенный с каждым фотодиодом D1, электрически соединен через разводку с электродом, продолжающимся до резистивного слоя R1, а если необходимо, то с общей линией считывания сигналов TL.
На Фиг.1 каждый из пары фотодиодов (областей, расположенных непосредственно ниже полупроводниковых областей 1PA), расположенных рядом, в направлении столбца, соединен через резистивный слой R1 с линией считывания сигналов TL, простирающейся в горизонтальном направлении. Каждая из нескольких пар фотодиодов соединена через резистивный слой R1 с одной линией считывания сигналов TL. Множество сигнальных линий TL, простирающихся в горизонтальном направлении, расположено вдоль направления столбца. Несколько пар фотодиодов также аналогично соединены, каждая через резистивный слой R1 с каждой сигнальной линией TL. Сигнальные линии TL, показанные на Фиг.1, все соединены с каждой другой, образуя, в конечном счете, единую сигнальную линию TL, с точки зрения электрической схемы в цепи, как показано на Фиг.3.
Резистивный слой R1 обладает более высоким удельным электрическим сопротивлением, чем соединенный с ним поверхностный электрод E3, и более высоким удельным электрическим сопротивлением, чем первый отражатель E2. В частности, резистивный слой R1 состоит из поликристаллического кремния, тогда как другие электроды и отражатель оба состоят из металла, такого как алюминий. Когда полупроводниковая подложка 1 состоит из Si, например, часто в качестве материала электрода, помимо алюминия, используют AuGe/Ni. В случае использования Si, используемая примесь p-типа представляет собой элемент III группы, такой как B, а используемая примесь n-типа представляет собой элемент V группы, такой как N, P или As. Даже если устройство сконструировано со взаимозаменяемыми типами проводимости, с примесями n-типа и p-типа в полупроводниках, устройство может функционировать. Эти примеси могут быть добавлены таким способом, как диффузия или ионная имплантация.
2
2
Используемый материал изолирующего слоя L может представлять собой SiO или SiN. Когда изолирующий слой L содержит, например SiO, изолирующий слой L может быть образован таким способом, как термическое окисление или напыление.
В случае вышеописанной структуры, p-n-переход образуется между полупроводниковой подложкой 1N n-типа и первой полупроводниковой областью 1PA p-типа, с образованием, таким образом, фотодиода D1. Полупроводниковая подложка 1N электрически соединена с первым электродом E1, образованным на задней поверхности подложки. Первая полупроводниковая область 1PA соединена через вторую полупроводниковую область 1PB с поверхностным электродом E3. Резистивный слой R1 последовательно соединен с фотодиодом D1 (см. (b) на Фиг.2).
В матрице 10 фотодиодов каждый фотодиод D1 функционирует в гейгеровском режиме. В гейгеровском режиме обратное напряжение (напряжение обратного смещения) больше, чем напряжение пробоя фотодиода D1, приложенное между анодом и катодом фотодиода Dl. А именно, потенциал (-) V1 прикладывают к аноду, тогда как потенциал (+) V2 прикладывают к катоду. Полярности этих потенциалов представляют собой относительные полярности, и также возможно устанавливать один потенциал в качестве потенциала Земли.
Анод представляет собой полупроводниковую область 1PA p-типа, а катод - полупроводниковую подложку 1N n-типа. Каждый фотодиод D1 функционирует как лавинный фотодиод. Когда свет (фотон) падает на фотодиод D1, он фотоэлектрически преобразуется внутри подложки с образованием фотоэлектрона. Лавинное умножение возникает в лавинной области AVC вблизи границы p-n перехода в полупроводниковой области 1PA p-типа, показанной на (a) Фиг.2, а группа электронов, возникшая в результате умножения, течет к электроду E1.
Первый отражатель E2 обеспечен на поверхности полупроводниковой подложки 1N вне первой полупроводниковой области 1PA, имеющей относительно более низкую концентрацию примеси, чем вторая полупроводниковая область 1PB. Область открытой поверхности полупроводниковой подложки 1N представляет собой мертвое пространство, которое редко вносит вклад в детектирование при падении света. Первый отражатель E2 отражает падающий свет ко второму отражателю (например, к внутренней поверхности металлического корпуса, и т.п.). Второй отражатель снова отражает падающий свет, эффективно направляя повторно отраженный свет к фотодиодам D1.
Другой конец резистивного слоя R1, соединенный с каждым фотодиодом D1, электрически соединен с общей линией TL считывания сигналов вдоль поверхности полупроводниковой подложки 1N. Множество фотодиодов D1 функционируют в гейгеровском режиме, а каждый фотодиод D1 соединен с общей сигнальной линией TL. По этой причине, когда фотоны одновременно падают на множество фотодиодов Dl, все выходные сигналы фотодиодов D1 подаются на общую сигнальную линию TL, где измеряются в качестве сигнала с высокой интенсивностью согласно количеству всех падающих фотонов. Нагрузочный резистор может быть соединен с линией считывания сигналов TL, чтобы вызвать падение напряжения для считывания сигналов.
Вышеописанная структура представляет собой структуру типа матрицы фотодиодов с передним освещением, но ее использование также возможно для применения в качестве структуры типа матрицы фотодиодов с задним освещением. В этом случае, полупроводниковую подложку 1N утоняют, а задний электрод E1 изготавливают в виде прозрачного электрода. Задний электрод E1 может быть расположен в другом местоположении полупроводниковой подложки 1N (например, на передней поверхности подложки).
Ниже будет описан способ определения опорного напряжения, способ определения рекомендуемого рабочего напряжения и способ установления коэффициента лавинного умножения для матрицы 10 фотодиодов, со ссылкой на Фиг.4 и 5. Фиг.4 представляет собой график, показывающий изменения электрического тока, в зависимости от напряжения обратного смещения. Фиг.5 представляет собой график, показывающий результат взятия производной первого порядка от вольт-амперных характеристик, показанных на Фиг.4, в отношении тока.
Сначала напряжение обратного смещения прикладывают к матрице 10 фотодиодов. Затем измеряют ее выходной ток при изменении напряжения обратного смещения. А именно, измеряют вольт-амперную характеристику матрицы 10 фотодиодов. В этот момент времени, усилитель, такой как усилитель заряда, не всегда должен быть соединен с матрицей 10 фотодиодов. Для исключения влияния изменения характеристик усилителя предпочтительно не соединять никаких усилителей с матрицей 10 фотодиодов. Вместо выходного тока может быть измерен входной ток, подаваемый к матрице 10 фотодиодов.
В матрице 10 фотодиодов напряжение обратного смещения на входе в область Гейгера может быть оценено заранее. Поэтому, нет необходимости устанавливать нижний предел при изменении напряжения обратного смещения на уровне нуля, но может быть задано напряжение, более низкое, чем напряжение обратного смещения на входе в область Гейгера. Это может снизить время, требуемое для измерения выходного тока матрицы 10 фотодиодов.
Пример результата измерений показан на Фиг.4. Фиг.4 показывает результат измерений каждой из пяти матриц 10 фотодиодов. Как видно из Фиг.4, матрицы 10 фотодиодов имеют свои соответствующие вольт-амперные характеристики IV1-IV5, отличные друг от друга. Поэтому необходимо установить коэффициент лавинного умножения для каждой матрицы 10 фотодиодов.
Как видно из каждой из вольт-амперных характеристик IV1-1V5, показанных на Фиг.4, каждая из матриц 10 фотодиодов переходит в область Гейгера после того, как напряжение обратного смещения становится выше напряжения пробоя; поскольку фотодиоды D1 начинают переходить в гейгеровский режим, значение выходного тока начинает повышаться (в части, указанной стрелкой A1 на Фиг.4). Значения напряжения обратного смещения при повышении выходного тока различны среди матриц 10 фотодиодов.
С повышением напряжения обратного смещения, количество фотодиодов D1, переходящих в гейгеровский режим, повышается при повышении выходного тока. Тогда, каждая вольт-амперная характеристика IV1-1V5 приобретает точку перегиба характеристики в ходе изменения выходного тока при напряжении обратного смещения, при котором максимальное количество фотодиодов D1 переходит в гейгеровский режим (или в части, обозначенной стрелкой A2 на Фиг.4). Поэтому, опорное напряжение может быть задано на уровне напряжение обратного смещения в точке перегиба характеристики каждой вольт-амперной характеристики IV1-1V5, а рекомендуемое рабочее напряжение может быть задано на основе опорного напряжения, вследствие чего рекомендуемое рабочее напряжение может быть легко и точно определено.
Для получения точки перегиба характеристики при изменении выходного тока в зависимости от напряжения обратного смещения, каждая вольт-амперная характеристика IV1-1V5, показанная на Фиг.4, различается по отношению к выходному току. Результат показан на Фиг.5. В этом случае, каждая вольт-амперная характеристика IV1-1V5 различается по отношению к выходному току. Для нормализации значения производной первого порядка делятся на выходной ток.
Как видно из дифференциальных характеристик Div1-Div5, показанных на Фиг.5, каждая точка перегиба характеристики на графике изменения выходного тока в зависимости от напряжения обратного смещения появляется в виде пика производной первого порядка выходного тока (на части, обозначенной стрелкой A3 на Фиг.5). Напряжение обратного смещения в точке перегиба характеристики представляет собой напряжение обратного смещения, при котором максимальное количество фотодиодов D1 переходит в гейгеровский режим. Поэтому, напряжение обратного смещения, при котором максимальное количество фотодиодов D1 переходит в гейгеровский режим, задается в качестве опорного напряжения для определения рекомендуемого рабочего напряжения. Опорное напряжение изменяется в зависимости от матрицы 10 фотодиодов.
На каждой из дифференциальных характеристик Div1-Div5, показанных на Фиг.5, другой пик появляется после первого пика производной первого порядка выходного тока (на части, обозначенной стрелкой A4 на Фиг.5). Это является результатом значительного повышения ложного импульса и т.д., с повышением напряжения обратного смещения. А именно, на графике изменения выходного тока в зависимости от напряжения обратного смещения появляется точка перегиба характеристики, вызванная значительным повышением выходного тока вследствие влияния ложного импульса и т.д., в дополнение к точке перегиба характеристики, вызванной переходом максимального количества фотодиодов D1 в гейгеровский режим. Эти точки перегиба характеристики представляют собой точки перегиба характеристики при перемене от состояния, выгнутого вниз, к состоянию, выгнутому вверх, с повышением напряжения обратного смещения. Следовательно, предпочтительно, чтобы рекомендуемое рабочее напряжение было задано в диапазоне, не меньшем, чем напряжение обратного смещения (опорное напряжение), при котором максимальное количество фотодиодов D1 переходит в гейгеровский режим, и меньшем, чем напряжение обратного смещения, при котором ложный импульс, и т.д. начинает существенно повышаться; т.е. предпочтительно, чтобы рекомендуемое рабочее напряжение было задано на уровне напряжения обратного смещения между вышеупомянутыми двумя точками перегиба характеристики.
Впоследствии определяется рекомендуемое рабочее напряжение для достижения желаемого коэффициента лавинного умножения. Коэффициент M лавинного умножения матрицы 10 фотодиодов представлен формулой M=C×ΔV, как было описано выше. Поскольку C представляет собой емкость перехода фотодиода Dl, его величина известна. Поэтому, как только определено ΔV, коэффициент M лавинного умножения определяется однозначно. В частности, напряжение обратного смещения в результате добавления ΔV к опорному напряжению определяется в качестве рекомендуемого рабочего напряжения, с получением, таким образом, желаемого коэффициента M лавинного умножения.
ref
op
ref
Например, заданное значение добавляют к напряжению обратного смещения (опорному напряжению) на пике каждой из дифференциальных характеристик Div1-Div5, показанных на Фиг.5, вследствие чего напряжение обратного смещения на дне вогнутой вниз части кривой для каждой дифференциальной характеристики Div1-Div5 определяют в качестве рекомендуемого рабочего напряжения. В качестве конкретного примера Фиг.5 показывает для дифференциальной характеристики Div1 опорное напряжение V на пике и рекомендуемое рабочее напряжение V, полученное в результате добавления заданного значения ΔV к опорному напряжению V. Рекомендуемое рабочее напряжение различается в зависимости от матрицы 10 фотодиодов. Однако, поскольку каждая матрица 10 фотодиодов имеет одинаковую разность ΔV между рекомендуемым рабочим напряжением и опорным напряжением, каждая матрица 10 фотодиодов может иметь одинаковый коэффициент M лавинного умножения.
Если рекомендуемое рабочее напряжение задано более высоким, чем напряжение обратного смещения на дне вогнутой вниз части кривой для каждой дифференциальной характеристики Div1-Div5, показанной на Фиг.5, то коэффициент M лавинного умножения будет повышаться, обеспечивая, таким образом, преимущества, связанные с высокой эффективностью детектирования (PDE: Photon Detection Efficiency, эффективностью детектирования фотонов) и с улучшением разрешения по времени. С другой стороны, это приведет к недостаткам, связанным с повышением темновой скорости счета, перекрестных наводок и ложного импульса. Если рекомендуемое рабочее напряжение задано более низким, чем напряжение обратного смещения на дне вогнутой вниз части кривой для каждой дифференциальной характеристики Div1-Div5, показанной на Фиг.5, то коэффициент M лавинного умножения будет понижаться, обеспечивая, таким образом, преимущества, связанные с понижением темновой скорости счета, перекрестных наводок и ложного импульса. С другой стороны, это приведет к недостаткам, связанным с низкой эффективностью детектирования и ухудшением разрешения по времени. Поэтому заданное значение, добавляемое к опорному напряжению, должно быть определено принимая во внимание требуемые характеристики матрицы 10 фотодиодов.
В настоящем варианте воплощения, как описано выше, напряжение обратного смещения в точке перегиба характеристики при изменении измеряемого выходного тока определяют в качестве опорного напряжения, а напряжение, полученное в результате добавления заданного значения к опорному напряжению, определяют в качестве рекомендуемого рабочего напряжения. Это позволяет нам точно определять опорное напряжение и рекомендуемое рабочее напряжение с небольшим влиянием темнового шума. В настоящем варианте воплощения, изменение выходного тока в зависимости от изменения напряжения обратного смещения измеряют при приложении напряжения обратного смещения с получением точки перегиба характеристики на графике изменения. По этой причине опорное напряжение и рекомендуемое рабочее напряжение могут быт легко определены.
В настоящем варианте воплощения, коэффициент M лавинного умножения задают на основе рекомендуемого рабочего напряжения, и, таким образом, определяют точно. Поэтому подавление изменения коэффициента M лавинного умножения в матрице 10 фотодиодов становится реально выполнимым.
В настоящем варианте воплощения измеренное напряжение обратного смещения на пике производной первого порядка выходного тока определяют в качестве опорного напряжения. Это позволяет нам точно определять точку перегиба характеристики на графике изменения выходного тока.
Вышеупомянутый традиционный способ для определения рекомендуемого рабочего напряжения требует наличия надлежащего детектирования света от источника света. По этой причине необходимо применять конфигурацию, пригодную для устранения света (окружающего света), за исключением света от источника света, из входа матрицы фотодиодов, например, конфигурацию, в которой матрица фотодиодов помещена в темный короб. Однако в способах для определения опорного напряжения и рекомендуемого рабочего напряжения согласно настоящему варианту воплощения, даже если окружающий свет падает в матрицу 10 фотодиодов, матрица 10 фотодиодов выявляет окружающий свет и выдает выходной ток, подсчитывающий его. А именно, окружающий свет также отражается в выходном токе, и поэтому необязательно применять конфигурацию для предотвращения падения окружающего света. Само собой разумеется, что в настоящем изобретении может быть также применена конфигурация для предотвращения падения окружающего света.
Поскольку вышеупомянутый традиционный способ для определения рекомендуемого рабочего напряжения требует наличия нескольких тысяч повторяющихся измерений для получения распределения частот, время измерения становится неизбежно длительным. Однако настоящий вариант воплощения требует только измерения изменения выходного тока в зависимости от напряжения обратного смещения (вольт-амперная характеристика) матрицы 10 фотодиодов, и, таким образом, время измерения становится крайне коротким.
Выше описан предпочтительный вариант воплощения настоящего изобретения, но следует отметить, что настоящее изобретение не всегда ограничено только вышеприведенным вариантом воплощения, а может быть модифицировано многими способами, без отступления от объема и сущности изобретения.
В настоящем варианте воплощения, точки перегиба характеристики на графике изменения тока в зависимости от напряжения обратного смещения (вольт-амперная характеристика) получаются в результате взятия производной первого порядка, но настоящее изобретение не ограничено этим способом. С математической точки зрения, точки перегиба характеристики также могут быть определены путем взятия производной второго порядка. Поэтому опорное напряжение может быть определено как напряжение обратного смещения, при котором производная второго порядка измеренного тока равна нулю.
В настоящем варианте воплощения, во-первых, определяют опорное напряжение, а затем определяют рекомендуемое рабочее напряжение на основе опорного напряжения, но настоящее изобретение не ограничено этим способом. Например, без определения опорного напряжения, рекомендуемое рабочее напряжение может быть непосредственно определено из изменения тока в зависимости от напряжения обратного смещения.
Как описано выше, предпочтительно, чтобы рекомендуемое рабочее напряжение было задано как напряжение обратного смещения, попадающее в диапазон между точкой перегиба характеристики, где максимальное количество фотодиодов D1 переходит в гейгеровский режим, и точкой перегиба характеристики, вызванной значительным повышением ложного импульса и т.д., на графике изменения тока в зависимости от напряжения обратного смещения. Поэтому также можно применить следующий способ: после получения вольт-амперной характеристики IV1-1V5, как показано на Фиг.4, рекомендуемое рабочее напряжение определяют в качестве напряжения обратного смещения на части кривой между двумя точками перегиба характеристики при перемене от состояния, выгнутого вниз, к состоянию, выгнутому вверх, с повышением напряжения обратного смещения для вольт-амперной характеристики IV1-1V5. Это также позволяет нам точно и легко определять рекомендуемое рабочее напряжение. В этом случае точки перегиба характеристики также могут быть определены путем взятия производной первого порядка или путем взятия производной второго порядка.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Настоящее изобретение применимо для матрицы фотодиодов, содержащей множество лавинных фотодиодов, функционирующих в гейгеровском режиме, и гасящих резисторов, соединенных последовательно с соответствующими лавинными фотодиодами.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
10 - матрица фотодиодов;
D1 - фотодиод (лавинный фотодиод);
R1 - резистивный слой (гасящий резистор).