DE102014104602B3 - Hard particle detector with a core-shell construction and array of these hard particle detectors - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hartpartikeldetektor (1) mit einem Kern-Schale-Aufbau mit einem elektrisch kontaktierten Kern (2) aus einem Halbleitermaterial und mindestens einer äußeren Schale (3) aus einem elektrisch leitfähigen Material, wobei der Kern (2) von der äußeren Schale (3) bis auf eine Öffnung zur elektrischen Kontaktierung des Kerns (2) vollständig umhüllt ist und durch Wechselwirkungen mindestens zweier Materialien des Hartpartikeldetektors (1) an deren Schichtgrenzen (11) mindestens eine sich in dem Kern (2) erstreckende Verarmungszone (7) bewirkt ist.The invention relates to a hard particle detector (1) having a core-shell structure with an electrically contacted core (2) made of a semiconductor material and at least one outer shell (3) of an electrically conductive material, wherein the core (2) of the outer shell (3) is completely enveloped except for an opening for making electrical contact with the core (2) and at least one depletion zone (7) extending in the core (2) through interactions of at least two materials of the hard particle detector (1) at their layer boundaries (11) is.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hartpartikeldetektor zur Detektion von auftreffenden harten Partikeln. The invention relates to a hard particle detector for detecting impinging hard particles.

Hartpartikeldetektoren werden zur Detektion von Teilchenstrahlung oder sehr schnellen und daher hochenergetischen Partikeln eingesetzt. Ein bekanntes Projekt zur Erzeugung und Untersuchung solcher sich sehr schnell bewegenden Partikel ist der Large Hadron Collider (LHC) der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN). Hard particle detectors are used to detect particle radiation or very fast and therefore high-energy particles. One well-known project for the generation and investigation of such fast-moving particles is the Large Hadron Collider (LHC) of the European Organization for Nuclear Research (CERN).

Aufgrund der sehr hohen Energien und Dosen jedes der zu detektierenden Partikel ist die Lebensdauer der Detektoren recht begrenzt. Due to the very high energies and doses of each of the particles to be detected, the lifetime of the detectors is quite limited.

Beim Auftreffen eines Partikels auf einen Detektor und auf seinem Weg durch das Material des Detektors werden in dem Material freie Ladungsträger in Form von Elektron-Loch-Paaren zur Verfügung gestellt. Diese freien Ladungsträger können zur Erzeugung eines Detektionssignals genutzt werden, wenn es gelingt, die freien Ladungsträger aus dem Material des Detektors abzuführen, bevor diese sich in dem Material gegenseitig vernichten (rekombinieren). Durch eine Bestrahlung des Detektors mit hochenergetischen Partikeln werden in dem Material Kristalldefekte (Defektstellen) erzeugt, an denen die freien Ladungsträger über den sogenannten Shockley-Read-Hall-Prozess rekombinieren können, so dass anschließend diese freien Ladungsträger nicht mehr zur Erzeugung eines Detektionssignals verfügbar sind. Upon impact of a particle on a detector and on its way through the material of the detector, free charge carriers in the form of electron-hole pairs are made available in the material. These free charge carriers can be used to generate a detection signal if it is possible to remove the free charge carriers from the material of the detector before they mutually destroy each other (recombine) in the material. By irradiating the detector with high-energy particles, crystal defects (defect sites) are generated in the material, at which the free charge carriers can recombine via the so-called Shockley-Read-Hall process, so that subsequently these free charge carriers are no longer available for generating a detection signal ,

Bekannte Hartpartikeldetektoren sind beispielsweise in der Veröffentlichung von Grant et al., 2007 beschrieben (Grant, J. et al. 2007, GaN as a radiation hard particle detector, Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, Section A 576: 60–65). Auf einem Substrat aus Saphir ist eine n-leitende GaN-Pufferschicht vorhanden, auf der wiederum eine GaN-Halbleiterschicht epitaktisch aufgebracht ist. Die GaN-Schicht ist auf ihrer freien Oberfläche über einen Anschlussbereich aus Palladium / Gold elektrisch kontaktiert. Die GaN-Schicht ist seitlich durch einen weiteren Kontakt elektrisch kontaktiert. Während des Betriebs des Hartpartikeldetektors ist an die GaN-Schicht eine Sperrspannung (bias, bias-voltage) bis zu 350 V angelegt. Known hard particle detectors are described, for example, in the publication by Grant et al., 2007 (Grant, J. et al., 2007, GaN as a radiation hard particle detector, Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, Section A 576: 60-65). On a sapphire substrate there is an n-type GaN buffer layer, on which in turn a GaN semiconductor layer is epitaxially deposited. The GaN layer is electrically contacted on its free surface via a connection region made of palladium / gold. The GaN layer is electrically contacted laterally by another contact. During operation of the hard particle detector, a reverse voltage (bias, bias voltage) of up to 350 V is applied to the GaN layer.

Um freie Ladungsträger möglichst schnell aus dem Detektor herauszuführen, ist es allgemein bekannt, eine elektrische Spannung (Sperrspannung, bias, bias-voltage) an die Schicht mit dem detektierenden Material anzulegen. Durch diese Sperrspannung werden freie Ladungsträger schnell zu einem elektrischen Leiter, wie einer Frontelektrode oder einer Rückelektrode, beschleunigt und durch diesen abgeleitet. Die Wahrscheinlichkeit, dass eine ungewollte Rekombination auftritt, ist durch diese technische Maßnahme deutlich reduziert. In order to lead free charge carriers out of the detector as quickly as possible, it is generally known to apply an electrical voltage (blocking voltage, bias, bias-voltage) to the layer with the detecting material. By this blocking voltage free charge carriers are accelerated quickly to an electrical conductor, such as a front electrode or a return electrode, and discharged through this. The probability that an unwanted recombination occurs is significantly reduced by this technical measure.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ausführungen von Detektoren zur Detektion von auftreffenden harten Partikeln, insbesondere von Neutronen, bekannt. So sind in der US 2011/0095194 A1 beispielsweise Detektoren zur Detektion von Neutronen beschrieben, bei denen sich jeweils ausgehend von einer Schichtgrenze zwischen einer Elektrode und einem Halbleiter (Kern) bewirkte Verarmungszonen in den Kern erstrecken. Eine Deckschicht des Kerns ist durch einen Neutronenwandler gebildet. Der Neutronenwandler besteht aus einem Material, das bei einem Auftreffen von Neutronen ionisierende Strahlung freisetzt, welche als Nachweis auftreffender Neutronen genutzt wird. Durch auftreffende Neutronen ebenfalls bewirkte elektrische Spannungen werden durch an dem Detektor angebrachte Elektroden messtechnisch erfasst. Dabei werden die zu erfassenden elektrischen Spannungen nahe der Elektroden erzeugt, um diese mit geringen Verlusten ableiten zu können. Dem als Neutronenwandler einsetzbaren Material fehlt die Eigenschaft, in Zusammenwirken mit einem Halbleitermaterial des Kerns Verarmungszonen zu bewirken. Various embodiments of detectors for detecting incident hard particles, in particular neutrons, are known from the prior art. So are in the US 2011/0095194 A1 For example, described detectors for the detection of neutrons, in each case, starting from a layer boundary between an electrode and a semiconductor (core) effected depletion zones extend into the core. A cover layer of the core is formed by a neutron converter. The neutron transducer is made of a material that releases ionizing radiation when neutron impinges, which is used as evidence of incident neutrons. Electrical voltages also caused by incident neutrons are detected metrologically by electrodes mounted on the detector. In this case, the electrical voltages to be detected are generated near the electrodes in order to be able to derive them with low losses. The material which can be used as a neutron converter lacks the property of effecting depletion zones in cooperation with a semiconductor material of the core.

Aus der WO 2007/030156 A2 ist ebenfalls ein Hartpartikeldetektor zur Detektion von Neutronen bekannt, bei dem Neutronenwandler über einem Halbleiter angeordnet sind. Eine Entstehung von lokalen Verarmungszonen, beispielsweise an einer Schichtgrenze des Halbleiters und dem metallischen Material einer Elektrode, ist möglich. Allerdings wären solche Verarmungszonen durch die Neutronenwandler voneinander getrennt und durch diese zusätzlich etwa parallel zueinander kanalisiert. From the WO 2007/030156 A2 Also, a hard particle detector for detecting neutrons is known in which neutron transducers are disposed over a semiconductor. A formation of local depletion zones, for example at a layer boundary of the semiconductor and the metallic material of an electrode, is possible. However, such depletion zones would be separated from one another by the neutron transducers and additionally channeled through them parallel to one another.

In den Publikationen von Bates, R. (2007: RD50 status: Developing radiation tolerant materials for ultra radiation-hard tracking detectors, Nuclear Instruments & Methods in Physics Research A, 581: 314–317) und Pennicard, D. et al. (2006: Simulation results from double-sided 3-D-detectors, IEEE Nuclear Science Symposium Converence Record: 1614–1618) ist ein 3-D-Detektor offenbart, der p- beziehungsweise n-dotierte Säulen aufweist, die wechselseitig in ein p-Typ-Substrat (Halbleitermatrix) hineinragen. Die Anzahl dieser einzelnen Elemente ist in die Halbleitermatrix eingebettet. Ein Kern-Schale-Aufbau der Detektoren ist nicht verwirklicht. In the publications of Bates, R. (2007: RD50 status: Developing radiation tolerant materials for ultra-radiation-hard tracking detectors, Nuclear Instruments & Methods in Physics Research A, 581: 314-317) and Pennicard, D. et al. (2006: Simulation results from double-sided 3-D detectors, IEEE Nuclear Science Symposium Converence Record: 1614-1618) discloses a 3-D detector having p- and n-doped columns, respectively, which are alternately inserted into a p Protrude substrate type (semiconductor matrix). The number of these individual elements is embedded in the semiconductor matrix. A core-shell structure of the detectors is not realized.

In der US 2005/0258372 A1 ist ein Hartpartikeldetektor zur Detektion von Neutronen beschrieben, der sich gegenüberliegende Abschnitte eines Halbleiters aufweist, zwischen denen ein Neutronenwandler eingebracht ist. Eine Ausbildung von Verarmungszonen ist infolge der abschirmenden Wirkung des Materials des Neutronenwandlers nicht möglich. In the US 2005/0258372 A1 a hard particle detector for the detection of neutrons is described, which has opposite portions of a semiconductor, between which a neutron transducer is introduced. A formation of depletion zones is not possible due to the shielding effect of the material of the neutron converter.

Durch die hohen Energien und Dosen, mit denen die zu detektierenden Partikel auf einen Detektor auftreffen und in diesen eindringen, ist die Lebensdauer der Detektoren recht begrenzt. Je größer eine Strahlenhärte des Detektors, also die relative Widerstandsfähigkeit seiner Materialien gegenüber einer einwirkenden Strahlung, ist, desto länger ist seine potenzielle Nutzungsdauer. Zudem entstehen bei einem notwendigen Austausch eines Hartpartikeldetektors meist erhebliche Kosten, da die Untersuchungsgeräte in der Regel unter Vakuum und gekühlt betrieben werden sowie strahlungstechnisch gut abgeschirmt sein müssen, so dass ein erheblicher Demontage- und Montageaufwand entsteht. Due to the high energies and doses with which the particles to be detected impinge on a detector and penetrate into it, the life of the detectors is quite limited. The greater the radiation hardness of the detector, ie the relative resistance of its materials to an applied radiation, the longer is its potential service life. In addition, incurred in a necessary replacement of a hard particle detector usually considerable costs, since the examination equipment is usually operated under vacuum and cooled as well as radiation must be well shielded, so that a considerable disassembly and assembly costs arises.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hartpartikeldetektor vorzuschlagen, dessen Lebensdauer, räumliche Auflösung und Stromverbrauch gegenüber bekannten Detektoren verbessert ist und der dabei hauptsächlich eine gute Strahlenhärte aufweist. The invention has for its object to provide a hard particle detector whose life, spatial resolution and power consumption over known detectors is improved and which mainly has a good radiation hardness.

Die Aufgabe wird durch einen Hartpartikeldetektor gelöst, der ein Detektor zur Detektion von auftreffenden harten Partikeln ist und der einen Kern-Schale-Aufbau aufweist. Der erfindungsgemäße Hartpartikeldetektor weist einen elektrisch kontaktierten Kern aus einem Halbleitermaterial und eine äußere Schale aus einem elektrisch leitfähigen Material auf. Durch auftretende Wechselwirkungen mindestens zweier Materialien des Hartpartikeldetektors ist an deren Schichtgrenze eine sich in den Kern hinein erstreckende Verarmungszone bewirkt. Der Kern ist bis auf eine Öffnung zur elektrischen Kontaktierung des Kerns vollständig durch die äußere Schale umhüllt, sodass sich Abschnitte der Schichtgrenze, und damit auch der Verarmungszone, gegenüberliegen und sich elektrische Felder der Verarmungszonen einander überlagern und sich hinsichtlich ihrer Wirkungen additiv verhalten. Verarmungszonen sind von einer Vielzahl elektronischer Anordnungen und Bauteile bekannt. Eine Verarmungszone ist ein Bereich an einer Schichtgrenze zweier Materialien, in dem weniger freie Ladungsträger vorhanden sind als in anderen Bereichen der Materialien. Verarmungszonen können an Schichtgrenzen von Materialien bewirkt sein, die unterschiedliche Dotierungen aufweisen, beispielsweise p-n- oder n-p-Übergänge (Homoübergänge, aneinander angrenzende unterschiedlich dotierte Bereiche eines Halbleitermaterials; Heteroübergänge, aneinander angrenzende unterschiedliche Halbleitermaterialien), Schottky-Kontakte zwischen einem Metall und einem entsprechend gewählten Halbleiter, Metall-Isolator-Halbleiter (metal-insulator-semiconductor, MIS), Halbleiter-Isolator-Halbleiter (semiconductor-insulator-semiconductor, SIS-junction). Infolge der Ausbildung einer Verarmungszone (auch: Raumladungszone, Sperrschicht) ist ein elektrisches Feld im Bereich der Verarmungszone ausgebildet, das eine Feldstärke aufweist. Durch Anlegen einer zusätzlichen elektrischen Spannung kann, je nach Polung der elektrischen Spannung, das elektrische Feld verstärkt oder gemindert werden, wie dies dem Fachmann allgemein bekannt ist. Ein starkes elektrisches Feld ist vorteilhaft für die Ladungstrennung. Außerdem ist durch die resultierende Bandverbiegung die Wahrscheinlichkeit reduziert, dass sich freie Ladungsträger an Defektstellen rekombinieren. The object is achieved by a hard particle detector, which is a detector for detecting hard particles striking and which has a core-shell structure. The hard particle detector according to the invention has an electrically contacted core of a semiconductor material and an outer shell of an electrically conductive material. As a result of interactions of at least two materials of the hard particle detector, a depletion zone extending into the core is effected at its layer boundary. The core is completely surrounded by the outer shell except for an opening for making electrical contact with the core, so that sections of the layer boundary, and thus also of the depletion zone, lie opposite one another and electrical fields of the depletion zones overlap one another and behave additively with respect to their effects. Depletion zones are known from a variety of electronic devices and components. A depletion zone is an area at a layer boundary of two materials in which less free charge carriers are present than in other areas of the materials. Depletion zones may be effected at layer boundaries of materials having different dopants, for example pn or np junctions (homojunctions, contiguous differently doped regions of semiconductor material, heterojunctions, contiguous different semiconductor materials), schottky contacts between a metal and a correspondingly selected one Semiconductor, metal-insulator-semiconductor (MIS), semiconductor-insulator-semiconductor (SIS-junction). As a result of the formation of a depletion zone (also: space charge zone, barrier layer), an electric field is formed in the region of the depletion zone which has a field strength. By applying an additional electrical voltage, depending on the polarity of the electrical voltage, the electric field can be amplified or reduced, as is generally known to the skilled person. A strong electric field is advantageous for charge separation. In addition, the resulting band bending reduces the probability that free charge carriers will recombine at defect sites.

Der Kern ist von der äußeren Schale nahezu vollständig umhüllt, das heißt, dass bis auf die Öffnung zur elektrischen Kontaktierung alle Seitenflächen und gegebenenfalls vorhandene Stirnflächen des Kerns vollflächig von der äußeren Schale bedeckt sind. Eine Schichtgrenze, beispielsweise zwischen Kern und äußerer Schale, ist daher um den gesamten Kern, außer an der Öffnung, vorhanden. Die Verarmungszone ist entlang der Schichtgrenze bewirkt. Im Ergebnis liegen sich also Abschnitte der Schichtgrenze, und damit auch der Verarmungszone, gegenüber. Zur Vereinfachung der Beschreibung der Erfindung werden beispielsweise sich gegenüberliegende Abschnitte der Verarmungszone auch als zwei Verarmungszonen aufgefasst. Ein elektrisches Feld der Verarmungszone bzw. elektrische Felder der Verarmungszonen, genauer gesagt deren Feldstärke, nimmt mit zunehmender Distanz von der Schichtgrenze, an der die jeweiligen Verarmungszonen bewirkt sind, ab. The core is almost completely enveloped by the outer shell, that is to say that, with the exception of the opening for electrical contacting, all side surfaces and, if appropriate, existing end faces of the core are completely covered by the outer shell. A layer boundary, for example between core and outer shell, is therefore present around the entire core, except at the opening. The depletion zone is effected along the layer boundary. As a result, sections of the layer boundary, and thus also of the depletion zone, are located opposite one another. For example, to simplify the description of the invention, opposite portions of the depletion zone are also considered to be two depletion zones. An electric field of the depletion zone or electric fields of the depletion zones, more precisely their field strength, decreases with increasing distance from the layer boundary at which the respective depletion zones are effected.

Das Material der äußeren Schale kann aus einem für sichtbares Licht intransparenten Material, beispielsweise aus einem Metall, einer Metalllegierung oder einem elektrisch leitfähigen Verbundmaterial wie beispielsweise transparenten leitfähigen Oxiden (TCO), bestehen. The outer shell material may be made of a visible light non-transparent material, for example, a metal, a metal alloy or an electrically conductive composite material such as transparent conductive oxides (TCO).

Zwischen dem Kern und der äußeren Schale können in weiteren Ausführungen des erfindungsgemäßen Hartpartikeldetektors weitere funktionale Schalen vorhanden sein, die nachfolgend auch als innere Schalen bezeichnet werden, deren Materialien aus einer Gruppe beinhaltend Metalle, Metalllegierungen, elektrisch isolierende Stoffe (Isolator), Halbleitermaterialien, transparente leitfähige Oxide ausgewählt sind. Durch die Abfolge der Schalen sind beispielsweise Metall-Isolator-Halbleiter-Folgen (MIS), Metall-Halbleiter-Folgen (Schottky-Kontakt, Schottky-Diode), Halbleiter-Halbleiter-Übergänge wie p-n-Übergänge, n-p-Übergänge (Homoübergänge, Heteroübergänge) oder Halbleiter-Isolator-Halbleiter-Folgen (SIS) gebildet. Die inneren Schalen können weitere Funktionen erfüllen, beispielsweise Tunnelkontakte oder Passivierungen bilden. Further functional shells may be present between the core and the outer shell in further embodiments of the hard particle detector according to the invention, which are also referred to below as inner shells whose materials comprise a group comprising metals, metal alloys, electrically insulating materials (insulator), semiconductor materials, transparent conductive Oxides are selected. The sequence of the shells includes, for example, metal-insulator-semiconductor sequences (MIS), metal-semiconductor sequences (Schottky contact, Schottky diode), semiconductor-semiconductor junctions such as pn junctions, np junctions (homojunctions, heterojunctions ) or semiconductor-insulator-semiconductor series (SIS). The inner shells can fulfill other functions, such as tunnel contacts or passivation form.

Die äußere Schale kann zur Verbesserung ihrer Funktionsfähigkeit und Lebensdauer beschichtet sein. Beispielsweise kann die äußere Schale auf ihrer äußeren Oberfläche eine Oxidschicht zur Passivierung der äußeren Oberfläche besitzen. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die äußere Schale aus einem Halbleitermaterial besteht. The outer shell may be coated to improve its performance and durability. For example, the outer shell on its outer surface an oxide layer for Passivation of the outer surface own. This is particularly advantageous if the outer shell consists of a semiconductor material.

Es ist möglich, dass die Verarmungszone durch Wirkung der Materialien entweder des Kerns und mindestens einer Schale oder durch Wirkung der Materialien mindestens zweier Schalen bewirkt ist. Im ersten Fall kann beispielsweise ein Schottky-Kontakt realisiert sein, indem der Kern aus einem Halbleitermaterial und die äußere Schale aus einem geeigneten Metall oder einer geeigneten Metalllegierung besteht (siehe oben). Es ist auch möglich, dass durch die Materialien des Kerns und der äußeren Schale ein Homo- oder ein Heteroübergang gebildet ist. It is possible that the depletion zone is effected by the action of the materials of either the core and at least one shell, or by the action of the materials of at least two shells. In the first case, for example, a Schottky contact can be realized in that the core consists of a semiconductor material and the outer shell of a suitable metal or a suitable metal alloy (see above). It is also possible that a homo- or a heterojunction is formed by the materials of the core and the outer shell.

Von Bedeutung ist lediglich, dass der zu detektierende Partikel durch die Schalen in den Hartpartikeldetektor eindringt und durch die Wirkung der Verarmungszone und des elektrischen Feldes freie Ladungsträger zu den elektrischen Kontakten abgeführt werden können. It is only important that the particle to be detected penetrates through the shells into the hard particle detector and that by the action of the depletion zone and the electric field free charge carriers can be dissipated to the electrical contacts.

In einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Hartpartikeldetektors sind die Materialien und Dimensionierungen der Schalen und des Kerns so aufeinander abgestimmt, dass eine Wirkung des elektrischen Feldes soweit in den Kern des Detektors reicht, dass freie Ladungsträger mit hoher Wahrscheinlichkeit zu einem elektrischen Kontakt geführt werden. In an advantageous embodiment of the hard particle detector according to the invention, the materials and dimensions of the shells and the core are coordinated so that an effect of the electric field reaches far enough into the core of the detector that free charge carriers are highly likely to be brought into electrical contact.

In einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Hartpartikeldetektors ist die Dotierung des Materials des Kerns erhöht und beträgt mehr als 10¹² cm^–3 (Anzahl Dotieratome je Kubikzentimeter), beispielsweise 10¹³ cm^–3, 10¹⁴ cm^–3 oder mehr als 10¹⁴ cm^–3. Gegenüber Hartpartikeldetektoren gemäß dem Stand der Technik ist das ein Vorteil. Bislang bekannte Hartpartikeldetektoren müssen aus hochreinem und niedrig dotiertem (10¹² cm^–3 und weniger) Siliziumwafer bestehen, um überhaupt bei einer hohen angelegten Sperrspannung das gesamte Volumen des Wafers verarmen zu können. Dadurch ist ein erhöhter technischer Aufwand für die Steuerung der Sperrspannung erforderlich. Zudem wird durch die Bereitstellung und das Anlegen der Sperrspannung elektrische Energie verbraucht. Zumeist ist zusätzlich sogar eine Kühlung erforderlich. In an advantageous embodiment of the hard particle detector according to the invention, the doping of the material of the core is increased and amounts to more than 10 ¹² cm ^-3 (number of doping atoms per cubic centimeter), for example 10 ¹³ cm ^-3 , 10 ¹⁴ cm ^-3 or more than 10 ¹⁴ cm ^{. 3} . This is an advantage over hard particle detectors according to the prior art. Previously known hard particle detectors must be made of high-purity and low-doped (10 ¹² cm ^-3 and less) silicon wafers in order to be able to deplete the entire volume of the wafer at a high applied blocking voltage. As a result, an increased technical effort for the control of the reverse voltage is required. In addition, electrical energy is consumed by the provision and the application of reverse voltage. In most cases, even cooling is required.

Ist nur die äußere Schale vorhanden, so ist die Verarmungszone durch Wirkung der Materialien einer Schale und des Kerns bewirkt. Sind zudem innere Schalen vorhanden, kann die Verarmungszone auch durch zwei innere Schalen bewirkt sein, wie dies oben ausgeführt ist. Diese inneren Schalen sind zwischen dem Kern und der äußeren Schale angeordnet. If only the outer shell is present, the depletion zone is effected by the action of the materials of a shell and the core. In addition, if inner shells are present, the depletion zone can also be effected by two inner shells, as stated above. These inner shells are disposed between the core and the outer shell.

Es ist daher günstig, wenn diejenigen Schichtgrenzen, an denen die jeweilige Verarmungszone bewirkt ist, nur so weit voneinander beabstandet sind, dass die jeweiligen elektrischen Felder der Verarmungszonen einander überlagern und sich hinsichtlich ihrer Wirkungen additiv verhalten. In einer besonders bevorzugten Ausführung ist durch die Wirkung der elektrischen Felder der Verarmungszonen der einander gegenüberliegenden Schichtgrenzen ein resultierendes elektrisches Feld mit einer homogenen resultierenden Feldstärke in dem Kern verursacht. Als Wirkung eines elektrischen Feldes werden generierte freie Ladungsträger möglichst schnell zu einem der Kontakte an dem Kern oder der äußeren Schale geführt und dort abgeleitet, um ein Detektionssignal zu erzeugen. Durch die schnelle Abführung der freien Ladungsträger in dem starken elektrischen Feld ist die rekombinierende Wirkung vorhandener Defektstellen weitgehend unterdrückt. It is therefore advantageous if those layer boundaries at which the respective depletion zone is effected are only so far apart that the respective electrical fields of the depletion zones overlap one another and behave additively with respect to their effects. In a particularly preferred embodiment, the effect of the electric fields of the depletion zones of the opposite layer boundaries causes a resulting electric field with a homogeneous resulting field strength in the core. As an effect of an electric field, generated free charge carriers are conducted as quickly as possible to one of the contacts on the core or the outer shell and are dissipated there to produce a detection signal. Due to the rapid removal of the free charge carriers in the strong electric field, the recombining effect of existing defect sites is largely suppressed.

Dieser Effekt wird durch geeignete Dimensionierungen des erfindungsgemäßen Hartpartikeldetektors ermöglicht und unterstützt. Die Schichtgrenzen, an denen jeweils eine Verarmungszone bewirkt ist, sind weniger als 200 µm, besser weniger als 100 µm, noch besser weniger als 50 µm oder weniger als 20 µm oder beispielsweise 10 µm, voneinander entfernt. Die Schichtgrenzen können auch 1 µm oder weniger als 1 µm, beispielsweise weniger als 100 nm, voneinander beabstandet sein, um eine effektive Überlagerung der elektrischen Felder, welche durch die Verarmungszonen verursacht sind, zu erreichen. This effect is made possible and supported by suitable dimensions of the hard particle detector according to the invention. The layer boundaries at which a depletion zone is effected in each case are less than 200 .mu.m, better less than 100 .mu.m, even better less than 50 .mu.m or less than 20 .mu.m or for example 10 .mu.m, from each other. The layer boundaries may also be spaced apart by 1 μm or less than 1 μm, for example less than 100 nm, in order to achieve an effective superposition of the electric fields caused by the depletion zones.

Die vorgenannten Abstände beziehen sich auf eine Breite bzw. einen Durchmesser des Kerns, während eine Länge des Kerns für die aufgezeigte Wirkung nicht weiter von Belang ist. Die Abstände kennzeichnen die maximale Strecke, entlang der ein Minoritätsladungsträger aus dem Kernmaterial zu einem elektrischen Kontakt auf der äußeren Schale des erfindungsgemäßen Hartpartikeldetektors geführt werden kann. The abovementioned distances relate to a width or a diameter of the core, while a length of the core is of no importance for the indicated effect. The distances indicate the maximum distance along which a minority carrier can be guided out of the core material to an electrical contact on the outer shell of the hard particle detector according to the invention.

Die Länge des Kerns beträgt aus technologischen und praktischen Erwägungen heraus beispielsweise zwischen weniger als 1 µm (Submikrometer) bis 100 mm. The length of the core is for technological and practical reasons, for example, between less than 1 micron (submicrometer) to 100 mm.

Es ist daher eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Hartpartikeldetektors, wenn dessen Durchmesser bzw. Breite so gering ist, dass durch generierte freie Ladungsträger, die beispielsweise infolge des Auftreffens wenigstens eines Partikels einer Partikelstrahlung auf den Hartpartikeldetektor erzeugt wurden, möglichst kurze Strecken zu überwinden sind, bevor diese durch einen elektrischen Kontakt, vorzugsweise durch die äußere Schale und ihre elektrische Kontaktierung, abgeleitet werden. It is therefore a very advantageous embodiment of a hard particle detector according to the invention, if its diameter or width is so small that as short as possible to be overcome by generated free charge carriers, which were generated for example as a result of the impact of at least one particle of particle radiation on the hard particle detector, before they are derived by an electrical contact, preferably by the outer shell and its electrical contact.

Es ist in einer sehr günstigen Ausgestaltung möglich, dass der erfindungsgemäße Hartpartikeldetektor ohne eine zusätzliche Sperrspannung betrieben werden kann. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn die Dimensionen, insbesondere der Durchmesser bzw. die Breite des Kerns in Relation zur Ausdehnung der Verarmungszone(-n), des elektrischen Feldes bzw. der elektrischen Felder sowie zu einer resultierenden Feldstärke, so gering gewählt sind, dass ein Abführen von freien Ladungsträgern zur äußeren Schale oder zu einer elektrischen Kontaktierung des Kerns bewirkt wird, ohne dass ein wesentlicher Anteil von Rekombinationen eintritt. It is possible in a very favorable embodiment that the hard particle detector according to the invention can be operated without an additional blocking voltage. This is possible in particular if the dimensions, in particular the diameter or the width of the core in relation to the extent of the depletion zone (n), of the electric field or the electric fields and to a resulting field strength, are selected to be so small a discharge of free charge carriers to the outer shell or to an electrical contacting of the core is effected without a significant proportion of recombinations occurs.

In weiteren Ausgestaltungen ist es aber auch möglich, dass zusätzlich eine Sperrspannung angelegt ist. In further embodiments, it is also possible that in addition a reverse voltage is applied.

Ein Querschnitt des Kerns kann beliebige Formen aufweisen und beispielsweise rund, oval, dreieckig, viereckig oder vieleckig sein. A cross-section of the core may have any shape and be, for example, round, oval, triangular, square or polygonal.

In einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hartpartikeldetektors ist mindestens ein Teil des Kerns säulenförmig auf einem Substrat aufgesetzt. In one embodiment of a hard particle detector according to the invention, at least a part of the core is placed in a columnar form on a substrate.

Es ist möglich, dass mehrere erfindungsgemäße Hartpartikeldetektoren in einem Array angeordnet sind. Ein solches Array kann auf einem gemeinsamen Substrat vorhanden sein. Die einzelnen Hartpartikeldetektoren des Arrays besitzen also ein gemeinsames Substrat, welches elektrisch isolierend wirken kann. It is possible that a plurality of hard particle detectors according to the invention are arranged in an array. Such an array may be present on a common substrate. The individual hard particle detectors of the array thus have a common substrate, which can have an electrically insulating effect.

In einer anderen Ausgestaltung eines Arrays sind die Kerne der einzelnen Hartpartikeldetektoren miteinander durch eine gemeinsame Schicht des Halbleitermaterials elektrisch leitend verbunden. In another embodiment of an array, the cores of the individual hard particle detectors are electrically conductively connected to one another by a common layer of the semiconductor material.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Abbildungen näher beschrieben. Dabei zeigen: The invention will be described in more detail with reference to figures. Showing:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hartpartikeldetektors im Längsschnitt, 1 a first embodiment of a hard particle detector according to the invention in longitudinal section,

2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hartpartikeldetektors im Längsschnitt, 2 A second embodiment of a hard particle detector according to the invention in longitudinal section,

3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hartpartikeldetektors im Teilschnitt, 3 A third embodiment of a hard particle detector according to the invention in partial section,

4 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hartpartikeldetektors im Teilschnitt, 4 A fourth embodiment of a hard particle detector according to the invention in partial section,

5 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hartpartikeldetektors im Teilschnitt, 5 A fifth embodiment of a hard particle detector according to the invention in partial section,

6 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Arrays mit erfindungsgemäßen Hartpartikeldetektoren im Längsschnitt, 6 a first embodiment of an array with hard particle detectors according to the invention in longitudinal section,

7 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Arrays mit erfindungsgemäßen Hartpartikeldetektoren im Längsschnitt, 7 A second embodiment of an array with hard particle detectors according to the invention in longitudinal section,

8 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Arrays mit erfindungsgemäßen Hartpartikeldetektoren im Längsschnitt, 8th A third embodiment of an array with hard particle detectors according to the invention in longitudinal section,

9 eine erste schematische Darstellung eines Durchgangs eines Partikels durch einen erfindungsgemäßen Hartpartikeldetektor im Längsschnitt, 9 a first schematic representation of a passage of a particle through a hard particle detector according to the invention in longitudinal section,

10 eine zweite schematische Darstellung eines Durchgangs eines Partikels durch einen erfindungsgemäßen Hartpartikeldetektor im Längsschnitt, 10 a second schematic representation of a passage of a particle through a hard particle detector according to the invention in longitudinal section,

11 eine beispielhafte Darstellung der Feldstärken über der Distanz in einem p-n-Übergang eines Detektors gemäß dem Stand der Technik ohne Sperrspannung und mit einer Sperrspannung und 11 an exemplary representation of the field strengths over the distance in a pn junction of a detector according to the prior art without reverse voltage and with a reverse voltage and

12 eine beispielhafte Darstellung der Feldstärken über der Distanz in einem erfindungsgemäßen Hartpartikeldetektor mit zwei p-n-Übergängen. 12 an exemplary representation of the field strengths over the distance in a hard particle detector according to the invention with two pn junctions.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele vereinfachend dargestellt. Dabei kennzeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche technische Elemente. Hereinafter, embodiments are shown simplifying. In this case, the same reference numerals designate the same technical elements.

Als wesentliche Elemente eines erfindungsgemäßen Hartpartikeldetektors 1 sind in 1 ein zylinderförmiger Kern 2 aus einem p-leitenden Halbleitermaterial und eine äußere Schale 3 vorhanden, wobei die äußere Schale 3 den Kern 2 an einer seiner Stirnflächen und über seine Mantelfläche nahezu vollflächig bedeckt und umhüllt. As essential elements of a hard particle detector according to the invention 1 are in 1 a cylindrical core 2 of a p-type semiconductor material and an outer shell 3 present, with the outer shell 3 the core 2 covered and wrapped almost completely over one of its front surfaces and over its lateral surface.

An der nicht von der äußeren Schale 3 bedeckten Stirnfläche ist eine Öffnung gebildet, durch die der Kern 2 mittels eines ersten Kontaktes 4.1 elektrisch kontaktiert ist. Das Material der äußeren Schale 3 ist ein Metall, welches so gewählt ist, dass dieses mit dem Material des Kerns 2 einen Schottky-Kontakt bildet. An einer Schichtgrenze 11 von Kern 2 und äußerer Schale 3 ist eine Verarmungszone 7 bewirkt und ein elektrisches Feld 8 ausgebildet, welches sich in das Material des Kerns 2 erstreckt (siehe schematische Darstellung in der Ausschnittsvergrößerung der 1). Der Durchmesser d des Hartpartikeldetektors 1 beträgt 50 µm, während seine Länge l 300 µm beträgt. In Richtung der Länge l besitzt der Hartpartikeldetektor 1 eine Längsrichtung. Die äußere Schale 3 ist durch einen zweiten Kontakt 4.2 elektrisch kontaktiert. Der Hartpartikeldetektor 1 ist über den ersten Kontakt 4.1 aufrecht stehend auf einem elektrisch isolierenden Substrat 6 aufgesetzt. Auf dem Substrat 6 sind Leiterbahnen vorhanden, über die der erste Kontakt 4.1 und der zweite Kontakt 4.2 elektrisch kontaktiert sind. Es ist hier nur die Leiterbahn 4.2.1 des zweiten Kontakts 4.2 gezeigt. At the not of the outer shell 3 covered end face is formed by an opening through which the core 2 by means of a first contact 4.1 electrically contacted. The material of the outer shell 3 is a metal, which is chosen so that this with the material of the core 2 forms a Schottky contact. At a shift boundary 11 from core 2 and outer shell 3 is a depletion zone 7 causes and an electric field 8th formed, which is in the material of the core 2 extends (see schematic representation in the enlarged detail of 1 ). The diameter d of the hard particle detector 1 is 50 microns, while its length l is 300 microns. In the direction of the length l has the Hard particle detector 1 a longitudinal direction. The outer shell 3 is through a second contact 4.2 electrically contacted. The hard particle detector 1 is about the first contact 4.1 standing upright on an electrically insulating substrate 6 placed. On the substrate 6 There are tracks, over which the first contact 4.1 and the second contact 4.2 electrically contacted. It's just the track here 4.2.1 of the second contact 4.2 shown.

In der 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hartpartikeldetektors 1 schematisch gezeigt. In seinem Grundaufbau entspricht dieses zweite Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel. Zusätzlich sind zwischen dem Kern 2 und der äußeren Schale 3 eine erste innere Schale 5.1 eines intrinsischen Halbleitermaterials und eine zweite innere Schale 5.2 eines n-leitenden Halbleitermaterials vorhanden. Die Verarmungszone 7 (siehe 1) ist durch Wirkung der Materialien der ersten inneren Schale 5.1 und der zweiten inneren Schale 5.2 bewirkt. In the 2 is a second embodiment of a hard particle detector according to the invention 1 shown schematically. In its basic structure, this second embodiment corresponds to the first embodiment. In addition, there are between the core 2 and the outer shell 3 a first inner shell 5.1 an intrinsic semiconductor material and a second inner shell 5.2 an n-type semiconductor material present. The depletion zone 7 (please refer 1 ) is due to the action of the materials of the first inner shell 5.1 and the second inner shell 5.2 causes.

Einen erfindungsgemäßen Hartpartikeldetektor 1 mit einem rechteckigen Querschnitt zeigt vereinfachend 3. Die nach oben weisend gezeigte Stirnfläche sowie die durch die Länge l und eine Breite b des Hartpartikeldetektors 1 bestimmten Seitenflächen sind von der äußeren Schale 3 vollflächig bedeckt. Der Kern 2 ist an seiner nach unten weisend gezeigten Stirnfläche offen zugänglich und ist dort durch den ersten Kontakt 4.1 elektrisch kontaktiert, während die äußere Schale 3 durch den zweiten Kontakt 4.2 elektrisch kontaktiert ist. A hard particle detector according to the invention 1 with a rectangular cross section shows simplistic 3 , The upwardly facing end face as well as the length l and a width b of the hard particle detector 1 certain side surfaces are from the outer shell 3 completely covered. The core 2 is openly accessible at its end face pointing downwards and is there through the first contact 4.1 electrically contacted while the outer shell 3 through the second contact 4.2 electrically contacted.

Ein viertes Ausführungsbeispiel ist in 4 dargestellt und weist die gleichen Elemente wie der Hartpartikeldetektor 1 gemäß 3 auf. Allerdings ist der Querschnitt des Hartpartikeldetektors 1 nach dem vierten Ausführungsbeispiel rund. A fourth embodiment is in 4 and has the same elements as the hard particle detector 1 according to 3 on. However, the cross section of the hard particle detector is 1 around the fourth embodiment.

Ein erfindungsgemäßer Hartpartikeldetektor 1 kann auch als ein Würfel oder Quader ausgebildet sein, dessen eine Seitenfläche nicht von der äußeren Schale 3 bedeckt ist, während die anderen Seitenflächen sowie beide Stirnflächen von der äußeren Schale 3 vollflächig bedeckt sind, wie dies in 5 gezeigt ist. Eine elektrische Kontaktierung des Kerns 2 ist über die nicht bedeckte und hier nach unten weisend gezeigte Seitenfläche leicht möglich, während eine elektrische Kontaktierung der äußeren Schale 3 an einer geeigneten Stelle der äußeren Schale 3 ermöglicht ist. An inventive hard particle detector 1 may also be formed as a cube or cuboid, one side surface of which is not from the outer shell 3 is covered while the other side surfaces as well as both end faces of the outer shell 3 are completely covered, as in 5 is shown. An electrical contact of the core 2 is easily possible via the uncovered and here down facing side surface, while an electrical contact of the outer shell 3 at a suitable location of the outer shell 3 is possible.

In einer weiteren Ausführung kann der Kern 2 bis auf eine Öffnung mit einer Fläche von weniger als einer halben Seitenfläche vollständig durch die äußere Schale 3 umhüllt sein. In another embodiment, the core 2 except for an opening with an area of less than half a side surface completely through the outer shell 3 be enveloped.

Es können mehrere erfindungsgemäße Hartpartikeldetektoren 1 in einem Array 9 angeordnet sein, wie dies vereinfacht in 6 dargestellt ist. Auf einem gemeinsamen elektrisch isolierenden Substrat 6 sind beispielhaft drei Hartpartikeldetektoren 1 gezeigt, die mit einem seitlichen Abstand A zueinander auf dem Substrat 6 aufgesetzt sind. Die Hartpartikeldetektoren 1 sind säulenförmig ausgebildet. Die Längsrichtungen der Hartpartikeldetektoren 1 weisen in eine Richtung, aus der eine zu detektierende Partikelstrahlung 10 (stark vereinfacht gezeigt) auf das Array 9 auftrifft. Die Abstände A sind in 6 der Übersicht halber sehr großzügig gezeigt. Die Abstände A sind in einer tatsächlichen Umsetzung eines Arrays 9 sehr gering zu halten, um ein direktes Durchstrahlen der Partikelstrahlung 10 auf das Substrat 6 weitestgehend zu vermeiden. There may be several hard particle detectors according to the invention 1 in an array 9 be arranged as this simplifies in 6 is shown. On a common electrically insulating substrate 6 are exemplary three hard particle detectors 1 shown with a lateral distance A to each other on the substrate 6 are set up. The hard particle detectors 1 are formed columnar. The longitudinal directions of the hard particle detectors 1 point in a direction from which a particle radiation to be detected 10 (shown greatly simplified) on the array 9 incident. The distances A are in 6 very generously shown for the sake of clarity. The distances A are in an actual implementation of an array 9 very small to direct irradiation of the particle radiation 10 on the substrate 6 as far as possible to avoid.

In weiteren Ausführungen des Arrays 9 (nicht gezeigt) sind die Längsrichtungen der Hartpartikeldetektoren 1 zur Richtung, aus der die zu detektierende Partikelstrahlung 10 auf das Array 9 auftrifft, geneigt. Dadurch ist ein direktes Durchstrahlen der Partikelstrahlung 10 auf das Substrat 6 noch weiter verringert. In further versions of the array 9 (not shown) are the longitudinal directions of the hard particle detectors 1 to the direction from which the particle radiation to be detected 10 on the array 9 impinges, inclined. This is a direct irradiation of the particle radiation 10 on the substrate 6 even further reduced.

In einem Array 9, wie dies in 7 schematisch gezeigt ist, sind die Kerne 2 der einzelnen Hartpartikeldetektoren 1 durch eine gemeinsame Schicht des Halbleitermaterials der Kerne 2 miteinander verbunden. Die gemeinsame Schicht ist durch den ersten Kontakt 4.1 elektrisch kontaktiert. In an array 9 like this in 7 schematically shown are the cores 2 the individual hard particle detectors 1 by a common layer of the semiconductor material of the cores 2 connected with each other. The common layer is through the first contact 4.1 electrically contacted.

In einem dritten Ausführungsbeispiel des Arrays 9 gemäß 8 ist das elektrisch isolierende Substrat 6 vorhanden, auf dem erste Kontakte 4.1 und zweite Kontakte 4.2 als Leiterbahnen aufgebracht sind (nur einige beispielhaft bezeichnet). Auf den ersten und zweiten Kontakten 4.1, 4.2 sind Hartpartikeldetektoren 1 so aufgesetzt, dass deren Kerne 2 jeweils durch einen ersten Kontakt 4.1 kontaktiert sind, während die äußeren Schalen 3 jeweils benachbart angeordneter Hartpartikeldetektoren 1 durch jeweils einen zweiten Kontakt 4.2 miteinander elektrisch leitend verbunden sind. In a third embodiment of the array 9 according to 8th is the electrically insulating substrate 6 present on the first contacts 4.1 and second contacts 4.2 are applied as printed conductors (only a few exemplified). On the first and second contacts 4.1 . 4.2 are hard particle detectors 1 so set up that their cores 2 each by a first contact 4.1 are contacted while the outer shells 3 each adjacent arranged Hartpartikeldetektoren 1 by a second contact each 4.2 are electrically connected to each other.

In der 9 ist ein Hartpartikeldetektor 1 gezeigt, wie er in 2 beschrieben ist. Zusätzlich ist beispielhaft ein Strahl einer Partikelstrahlung 10 gezeigt, die den Hartpartikeldetektor 1 an der von der äußeren Schale 3 bedeckten Stirnfläche trifft und durch den Hartpartikeldetektor 1 durchschlägt. Auf seinem Weg durch den Hartpartikeldetektor 1 werden freie Ladungsträger generiert, die durch Wirkung der elektrischen Felder 8 zur äußeren Schale 3 geführt und dort über den ersten Kontakt 4.1 abgeleitet werden. In the 9 is a hard particle detector 1 shown as he in 2 is described. In addition, a beam of particle radiation is exemplary 10 shown the hard particle detector 1 at the of the outer shell 3 covered face meets and through the hard particle detector 1 by strikes. On his way through the hard particle detector 1 Free charge carriers are generated by the action of the electric fields 8th to the outer shell 3 guided and there over the first contact 4.1 be derived.

Dass es für die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Hartpartikeldetektors 1 nicht entscheidend ist, von welcher Seite die Partikelstrahlung 10 auf den Hartpartikeldetektor 1 auftrifft, zeigt 10. Die Partikelstrahlung 10 trifft hier auf die Öffnung, die durch eine nicht von der äußeren Schale 3 bedeckte Stirnfläche gebildet ist, und durchschlägt den Hartpartikeldetektor 1. That it for the functioning of the hard particle detector according to the invention 1 it is not decisive from which side the particle radiation 10 on the hard particle detector 1 hits, shows 10 , The particle radiation 10 meets the opening here, not by the outer shell 3 covered face, and breaks through the hard particle detector 1 ,

11 veranschaulicht beispielhaft die Verteilung und die Feldstärke eines elektrischen Felds 8, das an einem p-n-Übergang im Zusammenhang mit der Ausbildung einer Verarmungszone 7 (siehe 1) bewirkt ist. Dabei sollen die Halbleitermaterialien p-leitendes Silizium (Anzahl Dotieratome je Kubikzentimeter: 10¹⁹ cm^–3) und n-leitendes Silizium (10¹² cm^–3) sein. Vereinfachend wird ein abrupter Übergang angenommen, sodass die Feldstärke an der Schichtgrenze 11 von p-leitendem zu n-leitendem Material am höchsten ist. Mit zunehmender Distanz von der Schichtgrenze 11, an der die Verarmungszone 7 bewirkt ist, nimmt die Feldstärke ab. Die maximale Feldstärke beträgt etwa 0,45 kV/cm. Liegt keine zusätzliche Sperrspannung an, erreicht die Feldstärke etwa bei 30 µm einen Wert von Null. Ist dagegen eine Sperrspannung von beispielsweise –70 V angelegt, wird der Wert von Null erst in einer Distanz von etwa 300 µm erreicht. Die maximale Feldstärke beträgt in diesem Fall rund 4,63 kV/cm. 11 exemplifies the distribution and the field strength of an electric field 8th involved in a pn junction in connection with the formation of a depletion zone 7 (please refer 1 ) is effected. The semiconductor materials should be p-type silicon (number of doping atoms per cubic centimeter: 10 ¹⁹ cm ^-3 ) and n-type silicon (10 ¹² cm ^-3 ). For simplification, an abrupt transition is assumed, so that the field strength at the layer boundary 11 is highest from p-type to n-type material. With increasing distance from the layer boundary 11 at the depletion zone 7 is effected, the field strength decreases. The maximum field strength is about 0.45 kV / cm. If no additional blocking voltage is applied, the field strength reaches a value of zero at about 30 μm. If, by contrast, a reverse voltage of, for example, -70 V is applied, the value of zero is reached only at a distance of approximately 300 μm. The maximum field strength in this case is around 4.63 kV / cm.

In 12 ist beispielhaft die Situation in einem erfindungsgemäßen Hartpartikeldetektor 1 abgebildet. Dabei ist je ein Abschnitt der äußeren Schale 3 des p-leitenden Siliziums (Dotierung: 10¹⁹ cm^–3) auf den beiden sich gegenüberliegenden Seiten des Kerns 2 aus n-leitendem Silizium (Dotierung: 10¹⁴ cm^–3) gezeigt. Durch Wirkung der Materialien von Kern 2 und äußerer Schale 3 sind an jeder der gezeigten Schichtgrenzen 11 Verarmungszonen 7 und elektrische Felder 8 bewirkt, die sich jeweils von den Schichtgrenzen 11 in den Kern 2 hinein erstrecken. Die Feldstärke jeder der elektrischen Felder 8 nimmt dabei mit zunehmender Distanz zu der jeweiligen Schichtgrenze 11 ab, wie dies zu 11 beschrieben ist. Die Feldstärken beider elektrischer Felder 8 nehmen bei einer angelegten Sperrspannung von –10 V bei einer Distanz von 12 µm den Wert Null an. Da die Breite b des Kerns 2 etwa 12 µm beträgt, ist über die gesamte Breite b des Kerns 2 eine homogene Feldstärke von rund 18 kV/cm erreicht, da sich die Anteile der beiden elektrischen Felder 8 addieren. Liegt keine Sperrspannung an, ist eine homogene Feldstärke von rund 4,9 kV/cm erreicht, wenn die Breite des Kerns 2 etwa 3 µm beträgt. In 12 is an example of the situation in a hard particle detector according to the invention 1 displayed. It is ever a section of the outer shell 3 of the p-type silicon (doping: 10 ¹⁹ cm ^-3 ) on the two opposite sides of the core 2 of n-type silicon (doping: 10 ¹⁴ cm ^-3 ) shown. By effect of the materials of Kern 2 and outer shell 3 are at each of the layer boundaries shown 11 depletion zones 7 and electric fields 8th causes, in each case of the layer boundaries 11 in the core 2 extend into it. The field strength of each of the electric fields 8th takes with increasing distance to the respective layer boundary 11 off, like this too 11 is described. The field strengths of both electric fields 8th assume the value zero at an applied blocking voltage of -10 V at a distance of 12 μm. Because the width b of the core 2 is about 12 microns, is over the entire width b of the core 2 achieved a homogeneous field strength of around 18 kV / cm, since the proportions of the two electric fields 8th add. If no blocking voltage is applied, a homogeneous field strength of approximately 4.9 kV / cm is achieved, if the width of the core 2 is about 3 microns.

Alle vorgenannten Ausführungsbeispiele und Alternativen können im Sinne der Erfindung miteinander kombiniert werden. All of the aforementioned embodiments and alternatives can be combined with one another in the sense of the invention.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1

Hartpartikeldetektor Hard particle detector

2 2

Kern core

3 3

äußere Schale outer shell

4.1 4.1

erster Kontakt first contact

4.2 4.2

zweiter Kontakt second contact

4.2.1 4.2.1

Leiterbahn (des zweiten Kontaktes 4.2) Trace (the second contact 4.2 )

5.1 5.1

erste innere Schale first inner shell

5.2 5.2

zweite innere Schale second inner shell

6 6

(elektrisch isolierendes) Substrat (electrically insulating) substrate

7 7

Verarmungszone depletion zone

8 8th

elektrisches Feld electric field

9 9

Array array

10 10

Partikelstrahlung particle radiation

11 11

Schichtgrenze layer boundary

d d

Durchmesser diameter

l l

Länge length

b b

Breite width

A A

Abstand distance

Claims (8)

Hartpartikeldetektor (1), der ein Detektor zur Detektion von auftreffenden harten Partikeln ist, mit einem Kern-Schale-Aufbau mit: – einem elektrisch kontaktierten Kern (2) aus einem Halbleitermaterial und – einer äußeren Schale (3) aus einem elektrisch leitfähigen Material, wobei – durch Wechselwirkungen mindestens zweier Materialien des Hartpartikeldetektors (1) an deren Schichtgrenzen (11) mindestens eine sich in den Kern (2) erstreckende Verarmungszone (7) bewirkt ist und – der Kern (2) von der äußeren Schale (3) bis auf eine Öffnung zur elektrischen Kontaktierung des Kerns (2) vollständig umhüllt ist, sodass sich Abschnitte der Schichtgrenze (11), und damit auch der Verarmungszone (7), gegenüberliegen und sich elektrische Felder (8) der Verarmungszonen (7) einander überlagern und sich hinsichtlich ihrer Wirkungen additiv verhalten. Hard particle detector ( 1 ), which is a detector for detecting harsh hard particles, having a core-shell structure comprising: - an electrically contacted core ( 2 ) of a semiconductor material and - an outer shell ( 3 ) of an electrically conductive material, wherein - by interactions of at least two materials of the hard particle detector ( 1 ) at their layer boundaries ( 11 ) at least one in the core ( 2 ) extending depletion zone ( 7 ) and - the core ( 2 ) from the outer shell ( 3 ) except for an opening for electrical contacting of the core ( 2 ) is completely enveloped so that portions of the layer boundary ( 11 ), and thus also the depletion zone ( 7 ), and electric fields ( 8th ) of the depletion zones ( 7 ) overlap each other and behave additively with regard to their effects. Hartpartikeldetektor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sich gegenüberliegenden Abschnitte der Schichtgrenzen (11), an denen jeweils eine Verarmungszone (7) bewirkt ist, weniger als 200 µm voneinander beabstandet sind. Hard particle detector ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the opposing sections of the layer boundaries ( 11 ), each containing a depletion zone ( 7 ) is less than 200 microns apart. Hartpartikeldetektor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Schale (3) aus einem für sichtbares Licht intransparenten Material besteht. Hard particle detector ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the outer shell ( 3 ) consists of a visible light intransparent material. Hartpartikeldetektor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kern (2) und der äußeren Schale (3) innere Schalen (5.1, 5.2) vorhanden sind, deren Materialien aus einer Gruppe beinhaltend Metalle, Metalllegierungen, elektrisch isolierende Stoffe, Halbleitermaterialien, transparente leitfähige Oxide (TCO) ausgewählt sind. Hard particle detector ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that between the core ( 2 ) and the outer shell ( 3 ) inner shells ( 5.1 . 5.2 ) are present, whose Materials from a group including metals, metal alloys, electrically insulating materials, semiconductor materials, transparent conductive oxides (TCO) are selected. Hartpartikeldetektor (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarmungszone (7) durch Wirkung der Materialien entweder des Kerns (2) und mindestens einer Schale (3, 5.1, 5.2) oder durch Wirkung der Materialien mindestens zweier Schalen (3, 5.1, 5.2) bewirkt ist. Hard particle detector ( 1 ) according to claim 4, characterized in that the depletion zone ( 7 ) by action of the materials of either the core ( 2 ) and at least one shell ( 3 . 5.1 . 5.2 ) or by action of the materials of at least two shells ( 3 . 5.1 . 5.2 ) is effected. Hartpartikeldetektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil des Kerns (2) säulenförmig auf einem elektrisch isolierenden Substrat (6) aufgesetzt ist. Hard particle detector ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at least part of the core ( 2 ) columnar on an electrically insulating substrate ( 6 ) is attached. Array (9) von Hartpartikeldetektoren (1) nach Anspruch 6 auf einem gemeinsamen elektrisch isolierenden Substrat (6). Array ( 9 ) of hard particle detectors ( 1 ) according to claim 6 on a common electrically insulating substrate ( 6 ). Array (9) von Hartpartikeldetektoren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne (2) der einzelnen Hartpartikeldetektoren (1) miteinander durch eine gemeinsame Schicht des Halbleitermaterials elektrisch leitend verbunden sind. Array ( 9 ) of hard particle detectors ( 1 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the cores ( 2 ) of the individual hard particle detectors ( 1 ) are electrically connected to each other by a common layer of the semiconductor material.

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