DE102012204806B4

DE102012204806B4 - Vorrichtung mit einer Vielzahl von Mikrozellen

Info

Publication number: DE102012204806B4
Application number: DE201210204806
Authority: DE
Inventors: Meinrad Schienle
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2013-10-17
Anticipated expiration: 2032-03-27
Also published as: WO2013144151A2; DE102012204806A1; WO2013144151A3

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (1) mit einer Vielzahl N1 von photoempfindlichen Mikrozellen (2) zum Detektieren eines oder mehrerer Photonen vorgeschlagen, die jeweils eine in eine Sperrrichtung vorspannbare, im Geiger-Modus betreibbare Lawinen-Photodiode (3) und einen mit der Lawinen-Photodiode (3) in Serie geschalteten Löschwiderstand (4) aufweisen, wobei die N1 Mikrozellen (2) in N2 Mikrozellengruppen (5) mit jeweils N3 Mikrozellen (2) gruppiert sind, wobei der jeweiligen Mikrozellengruppe (5) ein Verstärkerelement (6) mit zumindest einem Quellenanschluss (7), einem Sammelanschluss (8) und N3 Steueranschlüssen (9) zugeordnet ist, wobei die N3 Steueranschlüsse (9) des jeweiligen Verstärkerelements (6) jeweils mit einem Knoten (10) zwischen der Lawinen-Photodiode (3) und dem Löschwiderstand (4) einer der N3 Mikrozellen (2) der zugeordneten Mikrozellengruppe (5) verbunden sind, und wobei der Sammelanschluss (8) des jeweiligen Verstärkerelements (6) mit den N3 Mikrozellen (2) der zugeordneten Mikrozellengruppe (5) verbunden ist. Durch den Einsatz eines einzigen Verstärkerelements mit einem Sammelanschluss für eine Mehrzahl von Mikrozellen einer Mikrozellengruppe ist die kapazitive Last pro Mikrozellengruppe reduziert. Damit reduziert sich die kapazitive Last der verbundenen Signalleitung. Entsprechend erhöht sich die Geschwindigkeit des Triggers auf der Signalleitung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer Vielzahl von Mikrozellen, wie beispielsweise einen Silizium-Photomultiplier (SiPM, Silicon Photomultiplier).
Silizium-Photomultiplier bestehen aus Mikrozellen oder Detektorzellen, die jeweils eine Lawinen-Photodiode (APD, Avalanche-Photodiode) und einen Serienwiderstand aufweisen. Bei Anliegen einer Speisespannung schaltet die üblicherweise in Sperrrichtung betriebene Photodiode bei Eintreffen von Strahlung, beispielsweise eines Photons, teilweise durch. Dieser Effekt wird verstärkt durch den Lawineneffekt in der Photodiode. Am Ausgang der Mikrozelle, das heißt am Knoten zwischen dem Serienwiderstand und der Photodiode, ist ein durch das Durchschalten der Photodiode verursachte Spannungsabfall messbar und auswertbar.
Aus WO 2006/111883 A2 ist ein Array von Detektorzellen bekannt, bei der jede Detektorzelle als Lawinen-Photodiode ausgebildet ist. Eine Lawinen-Photodiode ist dabei in einen CMOS-Prozess integriert. Eine digitale Schaltung gibt einen ersten Wert in einem Ruhezustand und einen weiteren anderen Wert aus, wenn die Lawinen-Photodiode ein Photon detektiert. Eine Schaltung gibt ein Triggersignal beim Beginn des Integrationszeitraums als Antwort auf die Zellübertragung von einem Digitalwert zum anderen aus.
Aus T. Frach et al., ”Digital Silicon Photo Multiplier – Principle of Operation and Intrinsic Detector Performance”, IEEE Nuclear Science Symposium, Talk 29-05-2009, ist ein voll digitaler Silizium-Photomultiplier bekannt, in den eine Lawinen-Photodiode in einen CMOS-Prozess integriert ist. Diese Lösung enthält eine aktive Löschung und eine voll digitale Auslesung mit dem Nachteil von höheren Kosten durch einen komplexen Produktionsprozess. Verglichen mit einem analogen Silizium-Photomultiplier ist die Zeitauflösung verbessert, weil die Kapazitäten der einzelnen Mikrozellen sich nicht miteinander aufaddieren und der Zeittrigger direkt auf Zellebene generiert wird.
US 2007/0187611 A1 offenbart einen bildgebenden Strahlungsdetektor, der einen Szintillator aufweist, welcher an ein Array von im Geiger-Modus arbeitenden Photodioden gekoppelt ist. Das Array ist in einzelne Detektorpixel aufgeteilt, von denen jedes aus einer Vielzahl von Photodiodenzellen mit miteinander verbundenen Signalausgängen besteht. Während jede der Zellen unabhängig in einem binären oder digitalen Modus arbeitet, ist infolge der Verbindung der Signalausgänge der Vielzahl von benachbarten Photodiodenzellen, welche ein einzelnes Pixel bilden, die Summe der Ausgangssignale proportional zur Intensität der erzeugten Szintillationsphotonen, ähnlich dem Ausgang eines PMT. Es ist eine geeignete Löschschaltung vorhanden, um die Photodioden nach Szintillationsphotonendetektion rasch zurückzusetzen.
Die DE 10 2010 041 805 A1 zeigt eine Vorrichtung mit mehreren, vorzugsweise zeilen- oder matrixförmig angeordneten photoempfindlichen Mikrozellen zum Detektieren eines oder mehrerer Photonen, die jeweils eine in Sperr-Richtung vorspannbare, im Geiger-Modus betreibbare Lawinen-Photodiode, einen mit ihr in Serie geschalteten Löschwiderstand und ein Verstärkerelement aufweisen, deren Eingang am jeweiligen Knoten zwischen der Lawinen-Photodiode und dem Löschwiderstand liegt und deren jeweiliges Ausgangssignal mit den Ausgangssignalen von Verstärkerelementen anderer Mikrozellen zu einer ODER-verknüpften Signalleitung zusammengefasst sind zum Erfassen/Auswerten des Zeitpunktes bzw. der Zeitpunkte des Auftreffens eines oder mehrerer Photonen auf eine oder mehrere verschiedene Mikrozellen, wobei die Anoden der Lawinen-Photodioden der jeweiligen Mikrozellen zu einer Ausgangsleitung zusammengeschaltet sind zum jeweiligen Erfassen der Ladungen, die in den betroffenen Mikrozellen durch Eintreffen eines oder mehrerer Photonen generiert werden. Dadurch ist es möglich, das Erfassen der Ladungen und das Erfassen des bzw. der Zeitpunkte funktional im Wesentlichen unabhängig voneinander durchzuführen. Das Verstärkerelement ist insbesondere als ein NMOS-Transistor ausgebildet.
Die Geschwindigkeit der Signalleitung ist abhängig vom Verhältnis zwischen dem Strom der NMOS-Transistoren und der Gesamtkapazität der Signalleitung.
Folglich gibt es grundsätzlich zwei unterschiedliche Möglichkeiten, die Geschwindigkeit der Signalleitung und damit der Vorrichtung zu verbessern. Die erste Möglichkeit ist, die Stromtreiberfähigkeit der Transistoren zu verbessern. Die zweite Möglichkeit besteht darin, die Kapazität auf der Signalleitung zu reduzieren. Beide Möglichkeiten können durch ein Verringern der Bauteilgrößen der verwendeten Technologie erzielt werden, beispielsweise durch Verwendung einer verbesserten CMOS-Knotentechnologie.
Allerdings gibt es auch bei dieser Lösung Limitierungen. Die wohl wichtigste Limitierung ist durch die maximale Spannung am Gate-Oxid des Transistors gegeben. Dies bedingt eine minimale Dicke des Gate-Oxids und beschränkt dabei die minimalen Ausmessungen des Transistors. Wenn zum Beispiel die Mikrozellen bei einer Überspannung von 3 Volt betrieben werden, könnten Transistoren mit einem Technologieknoten von 0,35 μm eingesetzt werden. Ein weiteres Herabsinken der minimalen Größen würde allerdings die Komplexität und die Kosten des Prozesses erhöhen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Geschwindigkeit einer Vorrichtung mit einer Vielzahl von photoempfindlichen Mikrozellen bei einer gegebenen Technologie zu optimieren.
Demgemäß wird eine Vorrichtung mit einer Vielzahl N1 von photoempfindlichen Mikrozellen zum Detektieren eines oder mehrerer Photonen vorgeschlagen, die jeweils eine in eine Sperrrichtung vorspannbare, im Geiger-Modus betreibbare Lawinen-Photodiode und einen mit der Lawinen-Photodiode in Serie geschalteten Löschwiderstand aufweisen, wobei die N1 Mikrozellen in N2 Mikrozellengruppen mit jeweils N3 Mikrozellen gruppiert sind (N1 = N2·N3). Dabei ist der jeweiligen Mikrozellengruppe ein Verstärkerelement mit zumindest einem Quellenanschluss, einem Sammelanschluss und N3 Steueranschlüssen zugeordnet. Die N3 Steueranschlüsse des jeweiligen Verstärkerelements sind jeweils mit einem Knoten zwischen der Lawinen-Photodiode und dem Löschwiderstand einer der N3 Mikrozellen der zugeordneten Mikrozellengruppe verbunden. Der Sammelanschluss des jeweiligen Verstärkerelements ist mit den N3 Mikrozellen der zugeordneten Mikrozellengruppe verbunden.
Durch den Einsatz eines einzigen Verstärkerelements mit einem Sammelanschluss für eine Mehrzahl von Mikrozellen einer Mikrozellengruppe ist die kapazitive Last pro Mikrozellengruppe reduziert. Damit reduziert sich die kapazitive Last der verbundenen Signalleitung. Entsprechend erhöht sich die Geschwindigkeit des Triggers auf der Signalleitung.
Die Vorrichtung ist insbesondere ein Photomultiplier. Die Mikrozellen sind auf der Detektorfläche des Photomultipliers insbesondere zeilenförmig oder matrixförmig angeordnet.
Bei einer Ausführungsform ist der Quellenanschluss des jeweiligen Verstärkerelements mit den N3 Mikrozellen der zugeordneten Mikrozellengruppe verbunden.
Zur Reduzierung der Gesamtfläche kann auch der Quellenanschluss des der jeweiligen Mikrozellengruppe zugeordneten Verstärkerelements mit allen Mikrozellen dieser zugeordneten Mikrozellengruppe verbunden sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Verstärkerelement als ein MOSFET-Transistor, insbesondere als ein NMOS-Transistor oder als ein PMOS-Transistor, oder als ein Multi-Emitter-Bipolartransistor ausgebildet.
Für das Beispiel des NMOS-Transistors als Verstärkerelement sind die Steueranschlüsse als Gate-Anschlüsse, der Sammelanschluss als Drain-Anschluss und der Quellenanschluss als Source-Anschluss ausgebildet.
Der Multi-Emitter-Bipolartransistor ist eine Ausführungsform eines Bipolartransistors. Der Multi-Emitter-Bipolartransistor verfügt über eine Basisanschluss und einen Kollektoranschluss. Im Unterschied zu herkömmlichen Bipolartransistoren weist der Multi-Emitter-Bipolartransistor mehrere Emitter-Anschlüsse auf. Schaltungstechnisch stellt der Multi-Emitter-Bipolartransistor eine Parallelschaltung mehrerer herkömmlicher Bipolartransistoren dar, deren Basis- bzw. Kollektoranschlüsse zu je einem Anschluss zusammengefasst sind und deren Emitter-Anschlüsse separat verfügbar sind.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Sammelanschlüsse der Verstärkerelemente, welche den Mikrozellengruppen von in einer vorbestimmten Richtung benachbarten Mikrozellengruppen zugeordnet sind, mit einer ODER-verknüpften Signalleitung zum Erfassen des Zeitpunktes bzw. der Zeitpunkte des Auftretens eines oder mehrerer Photonen auf eine oder mehrere verschiedene Mikrozellen verbunden.
Die vorbestimmte Richtung auf der Detektorfläche des Photomultipliers ist beispielsweise durch die zeilenförmige oder matrixförmige Anordnung der Mikrozellen auf der Detektorfläche gegeben. Beispielsweise sind die Mikrozellen der Mikrozellengruppen in einer Reihe auf der Detektorfläche zu einer einzigen ODER-verknüpften Signalleitung verbunden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die jeweilige Signalleitung mit einer Verstärkerstufe verbunden, wobei die Ausgänge der Verstärkerstufen zur Bereitstellung eines globalen Triggersignals für den erfassten Zeitpunkt des Auftreffens eines oder mehrerer Photonen auf einer oder mehreren verschiedenen Mikrozellen zusammengeschaltet sind.
Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für große Detektorflächen, bei denen es vorteilhaft ist, die Triggerleitung in kleinere Bereiche zu teilen.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Anoden der Lawinen-Photodioden der jeweiligen Mikrozellen zu einer Ausgangsleitung zum jeweiligen Erfassen der Ladungen, die in den betroffenen Mikrozellen durch Auftreffen eines oder mehrerer Photonen generiert werden, zusammengeschaltet.
Bei einer weiteren Ausführungsform haben die Lawinen-Photodioden die gleichen elektrischen Eigenschaften. Insbesondere haben die Lawinenphotodioden identische Grundflächen auf der Detektorfläche des Photomultipliers.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind die N1 Mikrozellen in die N2 Mikrozellengruppe auf der Fläche der Vorrichtung derart gruppiert, dass die Fläche der Vorrichtung lückenlos und überlappungsfrei mit den N2 Mikrozellengruppen ausgefüllt ist.
Zur lückenlosen und überlappungsfreien Füllung der Detektorfläche mit den Mikrozellengruppen werden insbesondere ebene kristallographische Gruppen verwendet. Die ebenen kristallographischen Gruppen sind die Symmetriegruppen von periodischen Mustern oder Paketierungen der euklidischen Ebene. Es gibt genau siebzehn solcher Gruppen. Im Sinne der Gruppentheorie bestehen die Gruppen aus der Menge aller Kongruenzabbildungen, welche das Muster auf sich selbst abbilden, zusammen mit der Komposition von Abbildungen als Gruppenoperation.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind die N1 Mikrozellen in die N2 Mikrozellengruppen auf der Fläche der Vorrichtung derart gruppiert, dass die Anzahl N2 der Mikrozellengruppen minimal ist.
Durch die Minimierung der Mikrozellengruppen auf der Detektorfläche der Vorrichtung, insbesondere des Photomultipliers, wird die Anzahl der Verstärkerelemente minimiert. Durch die Minimierung der Anzahl der Verstärkerelemente ist auch die Anzahl der Sammelanschlüsse reduziert. Durch die Minimierung der Anzahl der Sammelanschlüsse wird die kapazitive Last auf der Signalleitung ebenfalls minimiert. Folglich wird die Geschwindigkeit des Triggers auf der Signalleitung erhöht bzw. maximiert.
Bei einer weiteren Ausführungsform hat die jeweilige Mikrozellengruppe mit N3 Lawinen-Photodioden, N3 Löschwiderständen und einem Verstärkerelement die Form eines Hexagons, die Form eines Zwölfecks, die Form eines Rechtecks, insbesondere eines Quadrats, oder die Form eines Pentagons.
Bei einer weiteren Ausführungsform hat die jeweilige Mikrozellengruppe die Form eines Hexagons, wobei das Verstärkerelement die Form eines Hexagons aufweist, die jeweilige Lawinen-Photodiode die Form eines symmetrischen Trapezes aufweist und die Kurzseite des symmetrischen Trapezes an einer Seite des Hexagons angrenzt. Der Löschwiderstand hat vorzugsweise die Form eines Rechtecks, welches mit einer Kurzseite an eine Ecke des Hexagons des Verstärkerelements angrenzt.
Die Ausführungsform mit der jeweiligen Mikrozellengruppe in Form eines Hexagons ist die symmetrischste Ausführungsform und erlaubt es, das Verstärkerelement der Mikrozellengruppe für beispielsweise sechs Mikrozellen in einer gemeinsamen Wanne zu platzieren. Für den Fall des NMOS-Transistors als Verstärkerelement teilen diese Mikrozellen dann einen gemeinsamen Drain-Bereich.
Bei einer weiteren Ausführungsform hat die jeweilige Mikrozellengruppe die Form eines Zwölfecks, wobei das Verstärkerelement die Form eines Dreiecks, insbesondere eines gleichseitigen Dreiecks, aufweist, die jeweilige Lawinen-Photodiode die Form eines Hexagons aufweist und eine Ecke des Hexagons zur Anpassung an eine Seite des Dreiecks abgestumpft ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform hat die jeweilige Mikrozellengruppe die Form eines Rechtecks, wobei das Verstärkerelement die Form eines Rechtecks aufweist, die jeweilige Lawinen-Photodiode die Form eines Rechtecks aufweist und eine Ecke des Rechtecks der Lawinen-Photodiode zur Anpassung an eine Ecke des Rechtecks des Verstärkerelements abgestumpft ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Rechteck des Verstärkerelements um 45° gegenüber den Rechtecken der Lawinen-Photodioden auf der Fläche der Vorrichtung gedreht.
Bei einer weiteren Ausführungsform hat die jeweilige Mikrozellengruppe die Form eines Pentagons, wobei das Verstärkerelement die Form eines Hexagons aufweist, die jeweilige Lawinen-Photodiode die Form eines symmetrischen Trapezes aufweist und die Kurzseite des symmetrischen Trapezes an einer Seite des Hexagons angrenzt.
Bevorzugt sind das Erfassen der durch die Photonen verursachten Ladungsverschiebung und das Erfassen des bzw. der Zeitpunkte des Eintreffens der Photonen funktional im Wesentlichen unabhängig voneinander durchführbar, wodurch im Schaltungsdesign höhere Freiheiten verfügbar sind.
Ferner wird ein Photomultiplier vorgeschlagen, welcher eine wie oben beschriebene Vorrichtung aufweist.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung mit einer Vielzahl N1 von photoempfindlichen Mikrozellen zum Detektieren eines oder mehrerer Photonen vorgeschlagen, die jeweils eine in eine Sperrrichtung vorspannbare, im Geiger-Modus betreibbare Lawinen-Photodiode und einen mit der Lawinen-Photodiode in Serie geschalteten Löschwiderstand aufweisen. Dabei werden die N1 Mikrozellen in N2 Mikrozellengruppen mit jeweils N3 Mikrozellen gruppiert. Ferner wird der jeweiligen Mikrozellengruppe ein Verstärkerelement mit zumindest einem Quellenanschluss, einem Sammelanschluss und N3 Steueranschlüssen zugeordnet. Des Weiteren werden die N3 Steueranschlüsse des jeweiligen Verstärkerelements jeweils mit einem Knoten zwischen der Lawinen-Photodiode und dem Löschwiderstand einer der N3 Mikrozellen der zugeordneten Mikrozellengruppe verbunden und der Sammelanschluss des jeweiligen Verstärkerelements wird mit den N3 Mikrozellen der zugeordneten Mikrozellengruppe verbunden.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 ein Ersatzschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Photomultipliers;
2 eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer geometrischen Anordnung von Mikrozellengruppen eines Photomultipliers;
3 eine schematische Ansicht eines Ausschnitts einer Mikrozellengruppe nach 2;
4 eine schematische Ansicht eines Verstärkerelements einer Mikrozellengruppe nach 2;
5 eine schematische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer geometrischen Anordnung von Mikrozellengruppen eines Photomultipliers;
6 eine schematische Ansicht eines Verstärkerelements einer Mikrozellengruppe nach 5;
7 eine schematische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer geometrischen Anordnung von Mikrozellengruppen eines Photomultipliers;
8 eine schematische Ansicht eines Verstärkerelements einer Mikrozellengruppe nach 7;
9 eine schematische Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels einer geometrischen Anordnung von Mikrozellengruppen eines Photomultipliers;
10 eine schematische Ansicht eines fünften Ausführungsbeispiels einer geometrischen Anordnung von Mikrozellengruppen eines Photomultipliers;
11 eine schematische Ansicht eines Ausschnitts einer Mikrozellengruppe nach 10;
12 eine schematische Ansicht einer Lawinen-Photodiode einer Mikrozellengruppe nach 10; und
13 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines Photomultipliers.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist.
In 1 ist ein Ersatzschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Photomultipliers 1 dargestellt.
Das Ersatzschaltbild der 1 zeigt, dass der Photomultiplier 1 eine Vielzahl von photoempfindlichen Mikrozellen 2 hat. Die jeweilige Mikrozelle 2 hat eine Lawinen-Photodiode 3 und einen mit der Lawinen-Photodiode 3 in Serie geschalteten Löschwiderstand 4. Die Lawinen-Photodiode 3 und der Löschwiderstand 4 sind an einem Knoten 10 verbunden. Die Lawinen-Photodiode 3 ist in eine Sperrrichtung vorspannbar und im Geiger-Modus betreibbar.
Ohne Einschränkung der Allgemeinheit zeigt die 1 einen Photomultiplier 1 mit zwei Mikrozellengruppen 5. Die in der ersten Zeile der Vorrichtung 1 angeordneten Mikrozellen 2 gehören zu einer ersten Mikrozellegruppe 5, wohingegen die in der zweiten Zeile des Photomultipliers 1 angeordneten Mikrozellen 2 zu einer zweiten Mikrozellengruppe 5 gehören.
Die nachfolgenden 2 bis 12 zeigen fünf unterschiedliche Ausführungsbeispiele einer geometrischen Anordnung von Mikrozellengruppen 5 auf einem Photomultiplier 1. Dabei zeigen die 2 bis 4 das erste Ausführungsbeispiel, die 5 und 6 das zweite Ausführungsbeispiel, die 7 und 8 das dritte Ausführungsbeispiel, die 9 das vierte Ausführungsbeispiel und die 10 bis 12 das fünfte Ausführungsbeispiel.
Diejenigen Merkmale dieser fünf Ausführungsbeispiele der geometrischen Anordnung der Mikrozellengruppen 5 auf der Detektorfläche des Photomultipliers 1, welche allen Ausführungsbeispielen gemeinsam sind, werden im Folgenden mit Bezug zu 1 näher erläutert.
Im Allgemeinen sind die N1 Mikrozellen 2 des Photomultipliers 1 in N2 Mikrozellen 5 mit jeweils N3 Mikrozellen 2 gruppiert (N1 = N2·N3). Der jeweiligen Mikrozellengruppe 5 ist ein Verstärkerelement 6 mit zumindest einem Quellenanschluss 7, einem Sammelanschluss 8 und N3 Steueranschlüssen 9 zugeordnet. In den fünf Ausführungsbeispielen der 2 bis 12 ist das Verstärkerelement 6 als ein NMOS-Transistor ausgebildet, welcher einen Source-Anschluss 7, einen Drain-Anschluss 8 und N3 Gate-Anschlüsse 9 aufweist. Der NMOS-Transistor 6 kann auch einen Wannenanschluss 13 haben.
Hier ist darauf hinzuweisen, dass 1 nur ein Ersatzschaltbild zeigt, wobei jede Zeile des Photomultipliers 1 der 1 tatsächlich nur einen einzigen NMOS-Transistor 6 aufweist. Das heißt, dass die in der ersten Zeile des Ersatzschaltbilds der 1 dargestellten NMOS-Transistoren 6 tatsächlich durch einen einzigen physikalischen NMOS-Transistor 6 ausgebildet ist. Entsprechend hat dieser einzige physikalische NMOS-Transistor 6 einen Source-Anschluss 7, einen Drain-Anschluss 8 und N3 Gate-Anschlüsse 9. Die Anzahl N3 entspricht dabei der Zahl der Mikrozellen 2 der Mikrozellengruppe 5.
Die N3 Steueranschlüsse des jeweiligen NMOS-Transistors 6 sind jeweils mit dem Knoten 10 zwischen der Lawinen-Photodiode 3 und dem Löschwiderstand 4 der Mikrozelle 2 der zugeordneten Mikrozellengruppe 5 verbunden. Details hierzu sind der 2 bis 4 zu entnehmen. Folglich ist der NMOS-Transistor 6 der oberen Zeile der 1 derart ausgebildet, dass seine N3 Gate-Anschlüsse 9 (gezeigt sind vier Gate-Anschlüsse 9) in der oberen Zeile der 1 mit einem jeweiligen Knoten 10 verbunden sind. Der Sammelanschluss 8 des einzigen physikalischen NMOS-Transistors 6 der oberen Zeile ist mit den N3 Mikrozellen 2 der zugeordneten Mikrozellengruppe 5 verbunden. Folglich ist der Sammelanschluss 8 des NMOS-Transistors 6 der oberen Zeile der 1 mit allen Mikrozellen 2 der oberen Mikrozellengruppe 5 verbunden. Entsprechendes gilt für den NMOS-Transistor 6 der unteren Zeile des Photomultipliers 1 der 1.
Der Source-Anschluss 7 des jeweiligen NMOS-Transistors 6 ist mit den N3 Mikrozellen der zugeordneten Mikrozellengruppe 5 verbunden. Bezogen auf 1 bedeutet das im Detail, dass der Source-Anschluss 7 des oberen NMOS-Transistors 6 mit allen (vier gezeichneten) Mikrozellen 2 der oberen Reihe des Photomultipliers 1 verbunden ist.
Ferner ist der Drain-Anschluss 8 des oberen Transistors 6 der 1 mit einer ODER-verknüpften Signalleitung 11 zum Erfassen des Zeitpunktes bzw. der Zeitpunkte des Auftretens eines oder mehrerer Photonen auf eine oder mehrere Mikrozellen 2 verbunden. Folglich ist die obere Signalleitung 11 der 1 mit allen Mikrozellen der oberen Reihe der 1 verbunden. Entsprechendes gilt für die Mikrozellen der unteren Reihe der 1.
Die Signalleitung 11 kann auch mit einer Verstärkerstufe verbunden sein (nicht gezeigt), wobei die Ausgänge der Verstärkerstufen zur Bereitstellung eines globalen Triggersignals für den erfassten Zeitpunkt des Auftretens einer oder mehrerer Photonen auf einer oder mehreren verschiedenen Mikrozellen 2 zusammengeschaltet sind. Details hierzu ergeben sich aus der Offenlegungsschrift DE 10 2010 041 805 A1 .
Die Anoden der Lawinen-Photodioden 3 der jeweiligen Mikrozellen 2 sind zu einer Ausgangsleitung 14 zum jeweiligen Erfassen der Ladungen zusammengefasst, welche in den betroffenen Mikrozellen 2 durch Auftreten eines oder mehrerer Photonen generiert werden.
Insbesondere besitzen die Lawinen-Photodioden 3 eine identische Fläche auf dem Photomultiplier 1. Durch das Kriterium der gleichen elektrischen Eigenschaften der Lawinen-Photodioden 3 ist die Anzahl der auftreffenden Photodioden auf einfache Weise ableitbar.
Ferner sind die N1 Mikrozellen 2 in die N2 Mikrozellengruppen 5 auf der Fläche der Vorrichtung 1 insbesondere derart gruppiert, dass die Fläche der Vorrichtung 1 lückenlos und überlappungsfrei mit den N2 Mikrozellengruppen 5 ausgefüllt ist. Dabei wird die Gruppierung insbesondere derart gewählt, dass die Anzahl N2 der Mikrozellengruppen 5 auf dem Photomultiplier 1 minimal ist.
Mit Bezug zu den 2 bis 12 werden im Weiteren die fünf Ausführungsbeispiele für geometrische Anordnungen von Mikrozellengruppen 5 auf einem Photomultiplier 1 gezeigt.
Dabei zeigt die 2 eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer geometrischen Anordnung von Mikrozellengruppen 5 eines Photomultipliers 1. Dabei zeigt die 2 einen Ausschnitt der Fläche des Photomultipliers 1, auf welcher achtzehn Mikrozellengruppen 5 in sechs Reihen und sechs Spalten angeordnet sind (N2 = N3). Die Mikrozellengruppen 5 einer Zeile sind über den jeweiligen zugeordneten NMOS-Transistor 6 mit einer Signalleitung 11 verbunden. In der 2 sind sechs Reihen und damit sechs Signalleitungen 11 gezeigt.
Die jeweilige Mikrozellengruppen 5 der 2 hat die Form eines Hexagons. Ebenso hat der NMOS-Transistor 6 in der Mitte der jeweiligen Mikrozellengruppe 5 die Form eines Hexagons. Die Lawinen-Photodioden 3 der jeweiligen Mikrozellengruppe 5 sind um den NMOS-Transistor 6 angeordnet und besitzen die Form eines symmetrischen Trapezes. Die Kurzseite des jeweiligen symmetrischen Trapezes der Lawinen-Photodiode 3 grenzt an eine Seite des Hexagons des NMOS-Transistors 6 an. Folglich hat die jeweilige Mikrozellengruppe 5 sechs Lawinen-Photodioden 3 (N3 = 6) und sechs Löschwiderstände 4. Der jeweilige Löschwiderstand 4 ist zwischen zwei Lawinen-Photodioden 3 angeordnet. Die Löschwiderstände 4 sind alle auf einer Seite mit einer Leitung 12 zur Versorgungsspannung verbunden. Zusammenfassend gilt in 2: N2 = 18, N3 = 6, N1 = 18·6 = 108
3 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausschnitts einer Mikrozellengruppe 5 der 2. Die 5 zeigt nur eine Lawinen-Photodiode 3 der sechs Lawinen-Photodioden 3, welche zu der Mikrozellengruppe 5 gehören. Ferner illustriert die 3 den an einer Seite der Lawinen-Photodiode 3 angeordneten Löschwiderstand 4. Der Löschwiderstand 4 hat die Form eines Rechtecks, welches mit einer Kurzseite an einer Ecke des Hexagons des NMOS-Transistors 6 angrenzt.
Die Mikrozellengruppe 5 der 2 und 3 hat eine sechsfache Symmetrie, die es erlaubt, Mikrozellengruppen 5 gemäß der 3 aneinander zu reihen und somit die Detektorfläche des Photomultipliers 1 lückenlos und überlappungsfrei auszufüllen.
In 4 ist eine schematische Ansicht eines NMOS-Transistors 6 einer Mikrozellengruppe 5 nach 2 gezeigt. Der NMOS-Transistor 6 ist zur Verbindung mit sechs Lawinen-Photodioden 3 eingerichtet (siehe 2). Demnach hat der NMOS-Transistor 6 der 4 sechs Source-Anschlüsse 9, die jeweils um 60° zueinander angeordnet und nach außen kontaktierbar sind. Der gemeinsame Drain-Anschluss 8 befindet sich im Mittenbereich des NMOS-Transistors 6. Ferner hat der NMOS-Transistor 6 sechs Source-Anschlüsse 7, welche aber miteinander verbunden sind und demnach physikalisch einen einzigen Source-Anschluss 7 darstellen.
In 5 ist eine schematische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer geometrischen Anordnung von Mikrozellengruppen 5 eines Photomultipliers 1 dargestellt. Die Detektorfläche des Photomultipliers 1 der 5 ist in vier Reihen unterteilt, wobei die jeweilige Reihe eine Signalleitung 11 hat, mit welcher vier Mikrozellengruppen 5 verbunden sind. Die jeweilige Mikrozellengruppe 5 der 5 hat die Form eines Zwölfecks und weist drei Lawinen-Photodioden 3 auf, wobei der NMOS-Transistor 6 die Form eines gleichseitigen Dreiecks hat. Die jeweilige Lawinen-Photodiode 3 hat die Form eines Hexagons, wobei eine Ecke des Hexagons zur Anpassung an eine Seite des Dreiecks abgestumpft ist.
6 zeigt eine schematische Ansicht eines NMOS-Transistors 6 einer Mikrozellengruppe 5 nach 5. Der NMOS-Transistor 6 der 5 hat eine dreieckige Grundfläche und ist zur Kontaktierung von drei Mikrozellen 2 geeignet. Die Mikrozellengruppe 5 der 5 hat demnach jeweils drei Mikrozellen 2.
In 7 ist eine schematische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer geometrischen Anordnung von Mikrozellengruppen 5 eines Photomultipliers 1 gezeigt. Der Auszug der Detektorfläche des Photomultipliers 1 der 7 ist in vier Reihen und vier Spalten unterteilt. Jede Reihe sowie jede Spalte hat vier Mikrozellengruppen 5. Jede Reihe ist mit einer Signalleitung 11 verbunden. Die jeweilige Mikrozellengruppe 5 der 7 hat die Form eines Quadrats. Der jeweilige NMOS-Transistor 6 der 7 hat ebenfalls die Form eines Quadrats. Die jeweilige Lawinen-Photodiode 3 hat die Form eines Quadrats, wobei eine Ecke des Quadrats der Lawinen-Photodiode 3 zur Anpassung an eine Ecke des Quadrats des NMOS-Transistors 6 abgestumpft ist.
Das Quadrat des NMOS-Transistors 6 der jeweiligen Mikrozellengruppe 5 ist um 45° gegenüber den Quadraten der Lawinen-Photodiode 3 auf der Detektorfläche der Vorrichtung 1 gedreht.
8 zeigt eine schematische Ansicht des NMOS-Transistors 6 einer Mikrozellengruppe 5 nach 7.
9 zeigt eine schematische Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels einer geometrischen Anordnung von Mikrozellengruppen 5 eines Photomultipliers 1. Der Auszug der Detektorfläche des Photomultipliers 1 der 9 ist in drei Reihen und drei Spalten unterteilt. Jede Reihe sowie jede Spalte hat drei Mikrozellengruppen 5. Jede Reihe ist mit einer Signalleitung 11 verbunden. Die jeweilige Mikrozellengruppe 5 der 9 hat die Form eines Rechtecks. Der jeweilige NMOS-Transistor 6 der 9 hat die Form eines Quadrats. Die jeweilige Lawinen-Photodiode 3 hat die Form eines Rechtecks, wobei eine Ecke des Rechtecks der Lawinen-Photodiode 3 zur Anpassung an eine Ecke des Quadrats des NMOS-Transistors 6 abgestumpft ist.
Das Quadrat des NMOS-Transistors 6 der jeweiligen Mikrozellengruppe 5 ist um 45° gegenüber den Rechtecken der Lawinen-Photodiode 3 auf der Detektorfläche der Vorrichtung 1 gedreht.
10 zeigt eine schematische Ansicht eines fünften Ausführungsbeispiels einer geometrischen Anordnung von Mikrozellengruppen 5 eines Photomultipliers 1.
Die jeweilige Mikrozellengruppe 5 der 10 hat die Form eines Pentagons. Der NMOS-Transistor 6 der jeweiligen Mikrozellengruppe 5 hat die Form eines Hexagons, wobei die jeweilige Lawinen-Photodiode 3 die Form eines symmetrischen Trapezes aufweist und die Kurzseite des symmetrischen Trapezes an einer Seite des Hexagons angrenzt. Die Längsseite des symmetrischen Trapezes ist allerdings an die Form des Pentagons der Mikrozellengruppe 5 angepasst.
11 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausschnitts einer Mikrozellengruppe 5 nach 10. Dabei zeigt die 11 nur eine einzige der sechs Mikrozellen der Mikrozellengruppe 5 der 10, an deren Seite ein Löschwiderstand 4 angeordnet ist. Der Löschwiderstand 4 hat die Form eines Rechtecks, welcher mit einer Kurzseite an eine Ecke des Hexagons des NMOS-Transistors 6 angrenzt.
12 zeigt wiederum die Lawinen-Photodiode 3 einer Mikrozellengruppe 5 nach den 10 und 11. Die geometrische Form der Lawinen-Photodiode 3 ist durch folgende Bedingungen für die Winkel definiert: C = 2A = 120°, wobei für die Länge der Seitenlinien gilt: a = b, c = d.
In 13 ist ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines Photomultipliers dargestellt. Der Photomultiplier hat eine Vielzahl N1 von photoempfindlichen Mikrozellen zum Detektieren eines oder mehrerer Photonen, die jeweils eine in eine Sperrrichtung vorspannbare, im Geiger-Modus betreibbare Lawinen-Photodiode und einen mit der Lawinen-Photodiode in Serie geschalteten Löschwiderstand aufweisen.
In Schritt 101 werden die N1 Mikrozellen in N2 Mikrozellengruppen mit jeweils N3 Mikrozellen gruppiert. In Schritt 102 wird der jeweiligen Mikrozellengruppe ein Verstärkerelement mit zumindest einem Quellenanschluss, einem Sammelanschluss und N3 Steueranschlüssen zugeordnet. In Schritt 103 werden die N3 Steueranschlüsse des jeweiligen Verstärkerelements jeweils mit einem Knoten zwischen der Lawinen-Photodiode und dem Löschwiderstand einer der N3 Mikrozellen der zugeordneten Mikrozellengruppe verbunden. In Schritt 104 wird der Sammelanschluss des jeweiligen Verstärkerelements wird mit den N3 Mikrozellen der zugeordneten Mikrozellengruppe verbunden. Die Reihenfolge der Schritte 101 bis 104 kann verändert werden.

Claims

Vorrichtung (1) mit einer Vielzahl N1 von photoempfindlichen Mikrozellen (2) zum Detektieren eines oder mehrerer Photonen, die jeweils eine in eine Sperrrichtung vorspannbare, im Geiger-Modus betreibbare Lawinen-Photodiode (3) und einen mit der Lawinen-Photodiode (3) in Serie geschalteten Löschwiderstand (4) aufweisen, wobei die N1 Mikrozellen (2) in N2 Mikrozellengruppen (5) mit jeweils N3 Mikrozellen (2) gruppiert sind, wobei der jeweiligen Mikrozellengruppe (5) ein Verstärkerelement (6) mit zumindest einem Quellenanschluss (7), einem Sammelanschluss (8) und N3 Steueranschlüssen (9) zugeordnet ist, wobei die N3 Steueranschlüsse (9) des jeweiligen Verstärkerelements (6) jeweils mit einem Knoten (10) zwischen der Lawinen-Photodiode (3) und dem Löschwiderstand (4) einer der N3 Mikrozellen (2) der zugeordneten Mikrozellengruppe (5) verbunden sind, und wobei der Sammelanschluss (8) des jeweiligen Verstärkerelements (6) mit den N3 Mikrozellen (2) der zugeordneten Mikrozellengruppe (5) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Quellenanschluss (7) des jeweiligen Verstärkerelements (6) mit den N3 Mikrozellen (2) der zugeordneten Mikrozellengruppe (5) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkerelement (6) als ein MOSFET-Transistor oder als ein Multi-Emitter-Bipolartransistor ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelanschlüsse (8) der Verstärkerelemente (6), welche den Mikrozellengruppen (5) von in einer vorbestimmten Richtung benachbarten Mikrozellengruppen (5) zugeordnet sind, mit einer ODER-verknüpften Signalleitung (11) zum Erfassen des Zeitpunktes bzw. der Zeitpunkte des Auftretens eines oder mehrerer Photonen auf eine oder mehrere verschiedene Mikrozellen (2) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Signalleitung (11) mit einer Verstärkerstufe verbunden ist, wobei die Ausgänge der Verstärkerstufen zur Bereitstellung eines globalen Triggersignals für den erfassten Zeitpunkt des Auftreffens eines oder mehrerer Photonen auf einer oder mehreren verschiedenen Mikrozellen (2) zusammengeschaltet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anoden der Lawinen-Photodioden (3) der jeweiligen Mikrozellen (2) zu einer Ausgangsleitung (14) zum jeweiligen Erfassen der Ladungen, die in den betroffenen Mikrozellen (2) durch Auftreffen eines oder mehrerer Photonen generiert werden, zusammengeschaltet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lawinen-Photodioden (3) die gleichen elektrischen Eigenschaften aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die N1 Mikrozellen (2) in die N2 Mikrozellengruppen (5) auf der Fläche der Vorrichtung (1) derart gruppiert sind, dass die Fläche der Vorrichtung (1) lückenlos und überlappungsfrei mit den N2 Mikrozellengruppen (5) ausgefüllt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die N1 Mikrozellen (2) in die N2 Mikrozellengruppen (5) auf der Fläche der Vorrichtung (1) derart gruppiert sind, dass die Anzahl N2 der Mikrozellengruppen (5) minimal ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Mikrozellengruppe (5) mit N3 Lawinen-Photodioden (3), N3 Löschwiderständen (4) und einem Verstärkerelement (6) die Form eines Hexagons, die Form eines Zwölfecks, die Form eines Rechtecks, insbesondere eines Quadrats, oder die Form eines Pentagons aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Mikrozellengruppe (5) die Form eines Hexagons aufweist, wobei das Verstärkerelement (6) die Form eines Hexagons aufweist, die jeweilige Lawinen-Photodiode (3) die Form eines symmetrischen Trapezes aufweist und die Kurzseite des symmetrischen Trapezes an einer Seite des Hexagons angrenzt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Mikrozellengruppe (5) die Form eines Zwölfecks aufweist, wobei das Verstärkerelement (6) die Form eines Dreiecks, insbesondere eines gleichseitigen Dreiecks, aufweist, die jeweilige Lawinen-Photodiode (3) die Form eines Hexagons aufweist und eine Ecke des Hexagons zur Anpassung an eine Seite des Dreiecks abgestumpft ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Mikrozellengruppe (5) die Form eines Rechtecks aufweist, wobei das Verstärkerelement (6) die Form eines Rechtecks aufweist, die jeweilige Lawinen-Photodiode (3) die Form eines Rechtecks aufweist und eine Ecke des Rechtecks der Lawinen-Photodiode (3) zur Anpassung an eine Ecke des Rechtecks des Verstärkerelements (6) abgestumpft ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Rechteck des Verstärkerelements (6) um 45° gegenüber den Rechtecken der Lawinen-Photodioden (3) auf der Fläche der Vorrichtung (1) gedreht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Mikrozellengruppe (5) die Form eines Pentagons aufweist, wobei das Verstärkerelement (6) die Form eines Hexagons aufweist, die jeweilige Lawinen-Photodiode (3) die Form eines symmetrischen Trapezes aufweist und die Kurzseite des symmetrischen Trapezes an einer Seite des Hexagons angrenzt.