ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ГЕЙГЕРОВСКИЙ ДЕТЕКТОР С АКТИВНОЙ СХЕМОЙ ВОССТАНОВЛЕНИЯ
SOLID GEIGER DETECTOR WITH ACTIVE RESTORER

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.
2
3
Пусть величина резистора гашения 2 R равна 40 кОм, величина дополнительного резистора гашения 3 R 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.