АКТИВНО-ПИКСЕЛЬНЫЙ ДАТЧИК РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ DEPFET
Датчик DEPFET является датчиком рентгеновского излучения, который принадлежит семейству КМОП и позволяет измерить положение, время прибытия и энергию с достаточно высокой точностью в диапазоне от 0.1 до 30 keV [7,11,12]. DEpleted P-channel Field Effect Transistor (DEPFET) является низкошумовым пиксельным датчиком, разрабатываемым совместно Университетом г. Бонна и лабораторией полупроводников Института им.Макса Планка в Мюнхене.
Этот прибор относится к семейству HAPS и для него используется DEPFET-матрица размером 64´64 пикселей. Размер одного пикселя 50´60 мкм. Чувствительная область этого прибора составляет 3.2´3.84 мм. Обычный цикл считывания информации со всех 4096 пикселей составляет около 1 мс.
В DEPFET-датчике полевой транзистор интегрирован в кремниевую основу с высоким сопротивлением. Подложка датчика (рис.8) толщиной 300 микрон обедняется так, что потенциальный минимум для электронов формируется внутри силиконовой прослойки под каналом полевого транзистора.[13] Зарядовые сигналы, сгенерированные в подложке, собираются во «внутренний выход» и напрямую модулируют транзисторный ток, индуцируя дополнительный заряд в p-канале полярного транзистора. Накапливая сигнальные электроны также как и термически сгенерированные электроны, потенциальный минимум увеличивается со временем и должен быть «очищен». Были созданы и успешно опробованы два типа механизма «очистки». В методе «непрерывной очистки» собранные электроны непрерывно удаляются с помощью «механизма пробоя» [14]. Метод «импульсной очистки» использует короткий положительный импульс, приложенный к выделенному n-контакту, для периодичной очистки
Рис.8 Кольцевой импульсный DEPFET в разрезе. Потенциал, распределенный вдоль оси «верхний вход – контакт к тыльной поверхности», показывает потенциальный минимум для электронов под каналом полевого транзистора
«внутреннего выхода». Для единичных пикселей фототипа эквивалентный шумовой заряд (equivalent noise charge (ENC)), измеренный при комнатной температуре (300K), в зарядах электронов е составляет 22e для метода «непрерывной очистки» и ENC=19e для метода «импульсной очистки» [7,15].
DEPFET-датчик предполагается использовать в проекте XEUS (X-ray Evolving Universe Spectroscopy mission) изучения спектра Вселенной с помощью рентгеновских лучей [12,16]. Запуск спутника предполагается в 2010 г. Проект рассматривается как часть программы ESA's Horizon 2000в рамках проекта Международной Космической Станции (МКС).
Другое применение этого датчика ‑ система Bioscope, предназначенная для биомедицинских приложений [7].
На рис.9 представлено рентгеновское изображение маленькой гайки из латуни, полученное с помощью датчика DEPFET (диаметр отверстия около
Рис 9. Рентгеновское изображение маленькой гайки (диаметр отверстия составляет 1 мм), полученное с помощью датчика DEPFET
1 мм). Гайка расположена непосредственно перед детектором и освещается источником g-излучения 55Fe. при отсутствии оптической фокусировки изображения. На рисунке представлены измерения отдельных пикселей, без какой бы то ни было математической обработки измерений. Пороговое значение заряда было выбрано 900е, что соответствует 7s от шума измерений. Наличие большого количества шумов в активно-пиксельных датчиках является одной из основных проблем. Рассмотрим ее подробнее.