CN101923173B

CN101923173B - 闪烁体以及检测器组件

Info

Publication number: CN101923173B
Application number: CN201010175522.7A
Authority: CN
Inventors: P·R·蒙格
Original assignee: Saint Gobain Industrial Ceramics Inc
Current assignee: Luxim Solutions LLC
Priority date: 2009-06-10
Filing date: 2010-05-17
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2030-05-17
Also published as: US8405020B2; CN101923173A; US20100314531A1

Abstract

一种检测器包括一个光电检测器和一个猝熄电路，该光电检测器包括一个单光子雪崩二极管(SPAD)，其中该SPAD包括一种宽带隙的半导体材料，该猝熄电路被电耦连到该光电检测器上，该猝熄电路包括一个第一器件，其中该第一器件包括一种宽带隙半导体材料，它在约26℃下具有至少约1.7eV的带隙。

Description

闪烁体以及检测器组件

技术领域

以下内容是针对于检测器，并且具体地是包含宽带隙半导体材料的检测器组件。

背景技术

辐射检测器件被用于各种工业应用中。典型地，辐射检测器包括由对特定类型的辐射敏感的一种材料(例如结晶的材料)制成的闪烁体。例如，某些材料(如碘化钠)对于检测伽马射线是有用的。响应于照射闪烁体的特定类型的入射辐射，闪烁体重发射出特定波长的辐射或者发出荧光(即辐射诱导的闪烁光)并且可以将其传输至光敏器件上，如一个光电倍增管。光电倍增管将由晶体发出的光子转换为电脉冲。这些电脉冲被相关联的电子设备整形并且将其数字化，并且可以作为传输至分析设备上的计数进行寄存。

闪烁检测器在不同的工业应用(例如包括测井)中是有利的，因为围绕钻孔的辐射测量允许观测特定类型的岩层。闪烁检测器可以用在钻探装置本身中，从而引起了随钻探的测量(MWD)(或随钻探测井)的通常做法。尽管如此，MWD应用通常发生在以大量的热、振动、以及冲击为特征的恶劣环境中，这影响了检测器的耐久性和精确度。

因此，工业界继续需要对辐射检测器件的改进。

发明内容

根据一方面，在此说明了一种检测器，它包括一个光电检测器以及一个猝熄电路，该光电检测器包括一个单光子雪崩二极管(SPAD)，其中该SPAD包括一种宽带隙半导体材料，并且该猝熄电路被电耦连至该光电检测器上并且包括一个第一器件。该第一器件包括一种宽带隙半导体材料，该材料在约26℃下具有至少约1.7eV的带隙。

另一方面说明了一种检测器，该检测器包括一个壳体、一个包含在该壳体内的闪烁体，以及一个包含在该壳体内的并且被光耦连至该闪烁体上的光电检测器，该光电检测器包括一个单光子雪崩二极管(SPAD)，该单光子雪崩二极管包括了选自下组的一种宽带隙半导体材料，该组的构成为：SiC、GaN、GaAs、AlN、AlAs、BN、GaP、AlP、ZnTe、MnTe、MgTe、ZnS、MgS、HgS、PbI₂、TlPbI₃、TlBr、TlBrI、InAlP。该检测器还包括一个猝熄电路，它被电耦连至该光电检测器上并且具有一个第一器件，其中该第一器件包括选自下组的一种宽带隙半导体材料，该组的构成为：SiC、GaN、GaAs、AlN、AlAs、BN、GaP、AlP、ZnTe、MnTe、MgTe、ZnS、MgS、HgS、PbI₂、TlPbI₃、TlBr、TlBrI、InAlP、以及它们的一个组合。

在此提供的其他方面中说明了包括光电检测器的一种检测器，该光电检测器具有一个单光子雪崩二极管(SPAD)的阵列，其中这些SPAD各自包括一种宽带隙半导体材料。该检测器进一步包括一个猝熄电路，该猝熄电路被电耦连至该光电检测器上，该猝熄电路具有一个第一晶体管，该第一晶体管具有被电耦连至一个第二电极的控制电极上的一个第一电流电极，其中该第一晶体管以及第二晶体管包括与该光电检测器的这些SPAD相同的一种宽带隙半导体材料。一个校准模块可以被包括在该检测器之内，该检测器电耦连至该光电检测器上，该校准模块包括一种SPAD，该SPAD包括一种宽带隙半导体材料。

根据另一方面，在此说明了一种检测器，它包括一个光电检测器和一个猝熄电路，该光电检测器包括一个单光子雪崩二极管(SPAD)，其中该SPAD包括一个宽带隙半导体材料，并且该猝熄电路被电耦连至该光电检测器上并且包括一个第一器件，该第一器件包括与光电检测器的SPAD相同的一种宽带隙半导体材料。该检测器可以进一步包括一个校准模块，该校准模块被电耦连至该猝熄电路上并且包含在与该光电检测器分开的一个暗盒中，其中该校准模块包括一个校准SPAD，该校准SPAD包括一种宽带隙半导体材料。

附图说明

通过参见附图可以更好地理解本披露，并且使其许多特征和优点对于本领域技术人员变得清楚。

图1A包括根据一个实施方案的检测器的一个图示。

图1B包括根据一个实施方案的单光子雪崩二极管(SPAD)器件的一个截面图示。

图2包括根据一个实施方案的检测器的一个示意图。

图3包括根据一个实施方案的猝熄电路的一个电学示意图。

图4包括根据一个实施方案的转换器的一个电学示意图。

在不同附图中使用相同的参考符号来表示相似的或相同的事项。

具体实施方式

以下是针对适合用在工业应用(特别是测井应用)中的一种检测器，其中敏感部件暴露于极端的环境条件中，包括反复的机械冲击和高温。具体地讲，在此说明的检测器接合了多个部件的一个组合，这些部件使该检测器能够具有改进的响应性和精确度，同时还被适当地加固以便在工业应用中使用。

图1A包括根据一个实施方案的检测器的一个截面图示。如图所示，检测器100包括一个壳体101，该壳体包括一个闪烁体105，该闪烁体包含在一个壳套103内，该壳套也包含在该壳体101内。闪烁体105可以通过一个光导管107被光耦连至一个光电检测器109上。此外，光电检测器109可以具有多个电触点111，这些电触点从壳体101中延伸并被配置为将光电检测器109与用于信号处理的其他电子器件进行电耦连。

总而言之，壳体101可以是由具有足够强度和韧性的金属材料制成的，以便经受在工业应用中体验到的机械冲击和温度。例如，壳体101可以是由金属制成的，如铝、铁、钛、镍、钨、钴以及包括此类金属的合金。

闪烁体105可以被包含在壳套103之内，并且具体地讲，可以被密封在壳套103内，这样使得壳套103内的环境受到控制。一种密封的壳套可以是特别适合的，其中闪烁体105是一种特别敏感的材料。这种组装的壳套103可以适当地遮蔽闪烁体105免受机械冲击。加固的壳套设计可以包括使用多种吸收冲击的材料和多个偏置构件以便将闪烁体105适当地置于壳套103之内。例如，在某些设计中，这些偏置构件(未示出)可以被安置在壳体101的端部处或在壳套103之内以便作用在闪烁体105上而使闪烁体105的位置偏置在光导管107上用于适当的光耦连。如将会理解的是，这些偏置构件可以与其他已知的连接方法结合使用，如使用光学凝胶或粘合剂。此类偏置构件还可以协助吸收对检测器100的冲击，这可以在使用该器件过程中减少错误读数和计数。

例如，壳套103可以包括一个冲击吸收构件，该冲击吸收构件基本上围绕闪烁体晶体105以降低在振动过程中对晶体材料的机械应力。该冲击吸收构件可以围绕闪烁体105并且对其施加一个径向力，并且可以是由一种弹性地可压缩的材料制成，并且根据一个实施方案，它是一种聚合物，如一种弹性体。

此外，闪烁体晶体105可以是基本上被该壳套内的一个反射体围绕，以改进光电检测器109捕获的荧光辐射。该反射体可以结合多种材料，如粉末、箔片、金属涂层、或聚合物涂层。在某些设计中，该反射体可以是一层氧化铝(矾土)粉末或一种聚四氟乙烯(PTFE)材料。

闪烁体105可以是对辐射敏感的一种材料，这样当一种特定类型的入射辐射(例如，x-射线、伽马射线、中子、等等)与该闪烁体材料相互作用时，闪烁体105响应于吸收的入射辐射而发出一种特定波长的荧光辐射。由闪烁体105所发出的荧光辐射可以被光电检测器109检测到。因此，在光电检测器109中捕获荧光辐射协助测井并且对一个环境(如，井下的测井环境)内的辐射进行表征。

根据一个实施方案，闪烁体105可以是由一种无机材料或有机材料制成的。闪烁体105可以是一种固体或液体材料。应注意的是，某些设计使用了一种固体无机闪烁体105。适合的无机材料可以包括多种化合物，如氧化物类和卤化物类。在多个具体的实例中，闪烁体105包括一种结晶的材料。例如，特别适合的结晶的无机材料可以包括：CsF、NaI、LaCl₃、LaBr₃、BGO(例如Bi₄Ge₃O₁₂)、CaF₂、LYSO(例如Lu_1.8Y_0.2SiO₅)、LSO(例如Lu₂SiO₅)、CsI、LuI₃、GSO(即Gd₂SiO₅)、CLYC(例如Cs₂LiYCl₆)、CNLI(例如Cs₂NaLaI₆)、CLLB(例如Cs₂LiLaBr₆)、LuAP(例如LuAlO₃)、LuYAP(例如Lu_xY_1-xAlO₃)、LuAG(例如Lu₃Al₅O₁₂)、LPS(例如Lu₂Si₂O₇)、GdI₃、SrI₂、以及它们的多种组合。

对于某些检测器，适合的是闪烁体105包括被设计为发出特定波长的荧光的一种材料，这样使得光电检测器109的特定的部件可以检测到这种荧光辐射。例如，在一个实施方案中，闪烁体105包括一种材料，它在不大于约2微米的波长下发出荧光。在多个其他的实施方案中，来自闪烁体105的荧光辐射的波长可以是不大于约1微米、不大于约0.8微米、不大于约0.5微米、或者甚至不大于约0.3微米。根据一个具体的实施方案，闪烁体105包括被配置为发出波长为在约2微米与约100纳米(0.1微米)之间的范围内的荧光的一种材料。在多个其他的实施方案中，闪烁体材料可以发出波长为在约0.6微米与约0.2微米之间的范围内的荧光。

在使用时，的安置在闪烁体105与光电检测器109之间的一个光导管107可以包括适合于将荧光辐射从闪烁体105传输至光电检测器109上的一种材料。塑料材料(如有机玻璃)可被用作光导管，或可替代地，一种玻璃材料、或者甚至一种结晶材料，如蓝宝石。某些设计可使用适合高温下使用(包括例如，高达250℃的温度)的一种透明(至少对于荧光辐射)的硅橡胶材料。

光电检测器109可以被安置在壳体109内并且光耦连至闪烁体105上。光电检测器109是这样一种器件，它旨在检测来自闪烁体的荧光辐射并且将荧光辐射的光子转换为一个电信号。具体地讲，可以使用已知为雪崩二极管的一种光电子固态器件来完成荧光辐射转换为一个电信号，这种二极管是以一种被称作盖革模式的特定的状态来运行的，这样该器件就是一个单光子雪崩二极管(SPAD)。SPAD包括在比击穿电压大很多的一个电压下偏置的一种半导体材料的多个层或区域(例如，p-n结)，这样使得单光子对器件的碰撞触发了通过该器件的一种电流的雪崩，因此允许该器件以高灵敏度和精确度检测低强度的光子信号。具体地讲，SPAD与传统的雪崩二极管的不同之处在于，此类器件被配置为以与标准雪崩二极管相反的远高于击穿电压的反向偏压来运行，并且一旦触发了电流的雪崩，此类器件要求一个猝熄机构将偏压降低至低于击穿电压以便使器件重置用于下一个光子的检测。

图1B包括根据一个实施方案的SPAD的一个截面图。如图所示，SPAD 150可以是由一种半导体材料(特别是一种宽带隙半导体材料)制成的基底151来形成。如图所示，SPAD可以包括具有多个区域153、155、157、以及159的一个基底，这些区域包括特定的浓度和类型的掺杂剂以形成在区域157与159之间的p-n结。在多个具体的实施方案中，半导体基底151可以是一种总体上n型掺杂的材料。区域153可以是一个p+(用p型掺杂剂重掺杂的)区域、区域155可以是一种p型掺杂的区域、区域157可以是一种p+型掺杂的区域、并且区域159可以是一种n+(用n型掺杂剂重掺杂的)区域。多个结构161和162可以是适合于运行该器件的电触点。因此，当辐射104撞击在结构161与162之间的区域159时，SPAD 150会产生雪崩电流。

根据一个具体的实施方案，光电检测器包括一个SPAD或SPAD的阵列，其中每个SPAD是由一种宽带隙的半导体材料制成。使用具有宽带隙的半导体材料的SPAD协助检测器在工业应用中的使用。一些适合的宽带隙半导体材料具有在约26℃(300K)下的一个至少约1.7eV的带隙。事实上，在某些设计中，SPAD包括一种宽带隙半导体材料，它在约26℃下具有至少约1.9eV(如至少约2.0eV、至少约3eV)的一个带隙。多个具体的实施方案可以使用包括一种宽带隙半导体材料的SPAD，该宽带隙半导体材料在26℃下具有在约1.7eV与5eV之间的范围内的一个带隙，如在约2.0eV与约4.5eV之间，或者甚至在约2.5eV与约4eV之间。

更具体地说，在此的多个实施方案使用了包括在至少150℃的温度下具有至少1.2eV(电子伏特)的带隙的一种宽带隙半导体材料的SPAD。在某些实施方案中，该宽带隙半导体材料可以在至少约175℃下或者甚至更高的温度(如至少约200℃)下，并且具体是在约150℃与约300℃之间的范围内具有至少1.2eV的一个带隙。某些宽带隙半导体材料可以在150℃或者更高的温度下具有一个更大的带隙，例如至少约2.0eV(如至少约2.2eV)并且具体是在约150℃与约300℃之间的温度下的在2.0eV与4.0eV之间的范围内的一个带隙。

对于在SPAD中使用的适合的宽带隙材料可以包括以下材料，其构成为：IV族元素或化合物、III-IV族化合物、II-IV族化合物、V族元素或化合物、以及VI族元素或化合物，以及它们的一个组合。将理解的是提及这些族是基于如在CRCHandbook第81版中公开的元素周期表。III族对应于包括元素B一直到Tl的列，IV族对应于包括元素C一直到Ph的列，V族包括对应于包括元素N一直到Bi的列的多种元素，并且VI族包括对应于包括元素O一直到Po的列的多种元素。特别适合的宽带隙半导体材料可以包括多种元素如氮、碳、磷、砷、碲、硫、碘、以及它们的一个组合。在具体的实例中，宽带隙半导体材料可以包括多个化合物，如SiC、GaN、AlN、AlAs、GaAs、BN、GaP、AlP、ZnTe、MnTe、MgTe、ZnS、MgS、HgS、PbI₂、TlPbI₃、TlBr、TlBrI、InAlP、以及它们的一个组合。

图2包括根据一个实施方案的检测器的一个示意图。如图所示，检测器200包括一个闪烁体105，该闪烁体可以发出由光电检测器109可检测到的荧光辐射104。光电检测器109可以被电耦连至一个转换器211上。该器件进一步包括被电耦连至转换器211上的一个校准模块205。转换器211可以被电耦连至用于信号放大的一个放大器213上，并且放大器213可以被电耦连至数字信号处理单元215上用于将数字信号进一步处理为用户可读格式。其他的多个器件可以被耦连至所示出的这些器件上。

如图所示，器件200可以包括由一个SPAD的阵列201构成的一个光电检测器109，该SPAD阵列可以被电耦连至一个猝熄电路203上。在运行过程中，在SPAD阵列201中的这些SPAD中的一个或多个可以检测到荧光辐射104。在一个光子撞击SPAD的一个检测表面时，高电场协助载流子加速以便与晶格原子撞击离子化并且产生一个电流。为了使SPAD返回到其原始状态用于下一个光子检测(即，适当地高于击穿电压的反向偏压)，一个猝熄电路203、并且具体地是一个有源猝熄电路可被用于将适当偏压返回至SPAD。在此将对用在猝熄电路203中的具体的器件和配置进行更加详细的说明。

在响应于荧光辐射104而产生一个电信号时，从光电检测器109输出的信号可以被发送至转换器211上。具体地讲，转换器211可以包括被配置为将电流信号转换为基于电压的信号的多个电子器件。根据一个实施方案，该转换器可以包括一个电子器件，如一个跨阻抗放大器。值得注意地，该跨阻抗放大器可包括多个电子器件，它们包括半导体材料，并且特别是如在此所述的宽带隙半导体材料。

如进一步在图2中所展示的，器件200可以包括一个校准模块205。值得注意的是，校准SPAD 207可以包含在校准模块205内，这样使得它是隔离的并且是与SPAD的阵列201分开的，并且具体地包含在一个暗盒内，该暗盒是对于与从闪烁体105的发出荧光的辐射并且在入射到检测器器件200上的任何辐射相隔离的任何环境的一个说明性的术语。这样，校准SPAD 207可以被安置在一个容器内，该容器适合于将部件与从闪烁体105发出荧光的辐射相隔离，并且该校准SPAD被配置为仅考虑由于温度的变化而可能产生的信号。例如，当该检测器暴露于高温(即大于150℃)时，在该检测器中的所有的SPAD内部的半导体材料可大量产生热生成的信号。在一个暗盒里校准SPAD 207是与辐射隔离的，这样使得由该校准SPAD产生的任何电流被假定为一个热生成的事件。在运行过程中，来自校准模块205的信号可以与来自光电检测器109的信号进行比较，并且可以将来自光电检测器109的信号进行处理以去除如由校准模块205表明的任何热生成的信号，以降低错误计数(即，基于热生成的信号的计数)。这样的信号处理可以是由数字信号处理单元215来完成的。

校准SPAD 207可以是被电耦连至一个校准猝熄电路209上，这样使得在产生一个信号时，校准SPAD 207能够以一种与SPAD 207的阵列内的这些SPAD类似的方式或者相同的方式被猝灭。如进一步展示的，校准模块205被电耦连至转换器211上。应理解的是，尽管校准SPAD 207被展示为被电耦连至一个独立的并且分开的猝熄电路209上，但是在其他的实施方案中校准SPAD可被电耦连至光电检测器109的猝熄电路203上。

根据一个实施方案，校准SPAD 207可以包括一种宽带隙半导体材料。具体地讲，校准SPAD 207可以是由与在光电检测器109的SPAD阵列201内的这些SPAD的相同的宽带隙半导体材料制成的。用相同的宽带隙半导体材料制成校准SPAD 207和SPAD阵列201的这些SPAD协助响应于变化的温度在材料性能上一致的变化。这样，校准SPAD 207可以具有与SPAD阵列201中的这些SPAD的对变化的温度的相同的响应，由此精确地将在SPAD阵列201中的任何热生成的信号考虑在内。

当电流信号在转换器211上转换为电压信号之后，该信号可以在放大器213上被放大。放大器213可以包括一个或多个电子器件，该器件或这些器件可包括一种宽带隙半导体材料。具体地讲，在放大器213内使用一种宽带隙半导体材料协助在工业环境中使用该检测器。此类宽带隙半导体材料可以包括先前提及的那些材料。在某些实施方案中，放大器213可包括与在SPAD阵列201连同校准SPAD207内使用的相同的宽带隙半导体材料。

在信号在放大器213上放大之后，该信号可以输出至数字信号处理器215上。数字信号处理器215将放大器213的放大的电压输出转换为一种用户可读的格式。此外，数字信号处理器215可以基于在从校准SPAD 207产生的信号与SPAD阵列201中的这些单独的SPAD任一个之间的区别而被用于校准该信号。尽管展示的是来自校准模块205和光电检测器109的信号被输出至转换器211上，但是应理解可以使用其他多种配置，这样使得在校准模块205与光电检测器109之间的适当的信号比较被用于将基于温度的波动考虑在内。

图3包括根据一个实施方案的猝熄电路的一个示意图。如图所示，猝熄电路300可以包括一系列的器件，这些器件是被电耦连的以便协助光电检测器109或在校准模块205内的校准SPAD 207内的这些SPAD的有源猝灭。具体地讲，猝熄电路300被设计为在来自与光子的相互作用而产生一个电流之后使适当的偏压快速返回到SPAD 301。如图所示，SPAD 301可以被电耦连至一个电阻器3 16上，该电阻器可以被电耦连至一个输出317上。SPAD 301还可以被电耦连至一个第一晶体管305和一个第二晶体管303上。第一晶体管305可以被电耦连至第二晶体管303以及一个电阻器3 14上，并且电阻器3 14可以被电耦连至一个电压基准3 13(即，大地)上。此外，第一晶体管305可以被电耦连至电阻器316和输出317上。第二晶体管303也可以被电耦连至电压基准313和电阻器316上。

如在猝熄电路300中所示，晶体管305和303能够以一种特定的设计来安排。例如，晶体管305可以具有一个第一电流电极308、一个控制电极306、以及一个第二电流电极307。晶体管305的第一电流电极可以被电耦连至第二晶体管303的控制电极310上。此外，第一晶体管305的第一电流电极308可以被电耦连至电阻器314上。第一晶体管305的第二电流电极307可以被电耦连至输出317上。此外，第一晶体管305的控制电极306可以被电耦连至SPAD 301和电阻器316的输出上。

第二晶体管303可以具有一个第一电流电极311、一个控制电极310、以及一个第二电流电极312。第二电流电极312可以被电耦连至控制基准313上。第二晶体管303的第一电流电极311可以被电耦连至第一晶体管305的控制电极306、以及SPAD 301的输出和电阻器316上。具体地讲，在第一晶体管305与第二晶体管303之间的连接协助每个晶体管依据SPAD 301的状态而相互接通和/或断开，这进而协助使适合的电压偏置快速返回至SPAD 301用于一个随后的光子的检测。

根据一个具体的实施方案，第一晶体管305可以是一个第一导电类型并且第二晶体管303可以是一个第二导电类型。值得注意地，提及的晶体管的导电类型是指n型或p型晶体管，其中半导体材料包含一种p型或n型掺杂剂。在一个具体的实施方案中，第一晶体管305可以是一个p型晶体管，换言之是一种p型金属氧化物半导体(PMOS)器件，并且第二晶体管303可以是一个n型晶体管，换言之是一种n型金属氧化物半导体(NMOS)器件。这样的一种安排协助晶体管在猝熄状况过程中时相互切换。

在运行过程中，该猝熄电路可以是处于等待光子撞击SPAD 301的一种不活动状态。在这样一种状态下，对SPAD 301施加一个反向偏压，该反向偏压是比该器件的击穿电压大得多。一旦一个光子撞击SPAD 301，就会产生电流的雪崩。在这样的一种状况下，将该猝熄电路接通，并且产生的电流协助第一晶体管305的控制电极306上的一个适当的偏置，这样使得第一晶体管305转至一种接通状态，这使第二晶体管303转至一种接通状态并且电流流经器件305和303二者到控制基准313(大地)上。当电流被耗散时，反向偏压在SPAD 301上返回到它的原始状态，这样使得SPAD 301能够检测另一个光子。

根据一个实施方案，晶体管305和303可以包括如在此说明的一种宽带隙半导体材料。具体地讲，第一晶体管305可以包括与光电检测器109的SPAD中所用的宽带隙半导体材料相同的宽带隙半导体材料。同样地，第二晶体管303可以使用与晶体管305和光电检测器109的这些SPAD中所用的相同的基极型半导体材料。然而应理解的是，尽管使用了相同的基极半导体材料，但是掺杂的考虑可能改变带隙的实际的数值。

猝熄电路300可以有一个猝熄时间，该猝熄时间适合于使SPAD在另一个光子撞击该SPAD之前返回至具有适当的反向偏压的一种检测状态。根据一个实施方案，在至少150℃的温度下猝熄电路300的猝熄时间可以是不大于约250纳秒(ns)。这样的一个电流允许在工业应用中的一种响应性光电检测器。具体地讲，猝熄时间可以是更小的，这样使得在至少150℃、并且具体是在约150℃与约300℃之间的范围内的温度下它是不大于约200ns、不大于约150ns、不大于约125ns、或者甚至不大于约100ns，如在约50ns与约200ns之间的范围内。

此外，猝熄电路300可使用小数目的电子器件，这些电子器件包括一种宽带隙半导体材料(例如，晶体管)，这样使得温度上的变化和机械冲击对损害猝熄电路300具有较小的概率。这样，根据一个实施方案，猝熄电路300包括不大于3个电子器件。在其他的实施方案中，猝熄电路300可使用不大于2个电子器件。

如在此所述的，该器件可以包括一个转换器，该转换器适合于将一种电流信号变化为一种电压信号(参见图2中的213)。图4包括适合用在该器件中的一个转换器的示意图。具体地讲，转换器400可以是一个跨阻抗放大器，它可以包括运算放大器401。可以在运算放大器401内的这些晶体管中使用一种宽带隙半导体材料，这样使得该器件特别适合于用在如在此说明的检测器器件之中。运算放大器401可以包括一个第一输入402、一个第二输入403、以及一个输出404。如图所示，转换器400可以包括与运算放大器401并联地电连接的一个电阻器410，这样使得电阻器410的一个第一端被连接至第一输出402上并且电阻器410的一个第二端被连接至运算放大器401的输出404上。运算放大器401的第二输入403可以被连接至一个电压基准405(如大地)上。

在此的多个实施方案已经说明了使用多个部件的组合的一种检测器，以协助检测器在工业应用中运行。尽管已经制成了包括使用了雪崩光电二极管或SPAD的某些器件，但是此类器件典型地包括多种常见的半导体材料，如硅或锗。不同于在此的实施方案，此类器件不适合于在某些工业应用中运行。然而，在此的多个实施方案使用了一种光电检测器(该光电检测器结合了由宽带隙半导体材料制成的一个SPAD的阵列、与使用宽带隙半导体材料的一个猝熄电路相结合)、一个包括校准SPAD的校准模块、一个转换器、以及一个放大器，该放大器进一步结包括使该检测器适合用在工业应用中的此类宽带隙半导体材料。

在上文中，提及的多个具体的实施方案以及某些部件的连接是说明性的。应当理解，提及的被耦连或者连接的多个部件是旨在披露在所述部件之间的直接连接或者通过一个或多个插入部件的间接连接以便实施如在此讨论的本方法。这样，以上披露的主题应被认为是解说性的、而非限制性的，并且所附权利要求旨在覆盖落在本发明的真正范围内的所有此类变体、改进、以及其他实施方案。因此，在法律所允许的最大程度上，本发明的范围应由对以下权利要求和它们的等效物可容许的最宽解释来确定，并且不应受以上的详细的说明的约束或限制。

披露的摘要是遵循专利权法而提供的，并且按以下理解而提交，即它将不被用于解释或者限制权利要求的范围或含义。另外，在以上附图的详细说明中，为了使披露精简而可能将不同的特征集合在一起或者在一个单独的实施方案中描述。本披露不得被解释为反映了一种意图，即提出权利要求的实施方案要求的特征多于在每一项权利要求中清楚引述的特征。相反，如以下的权利要求反映出，发明主题可以是针对少于任何披露的实施方案的全部特征。因此，以下的权利要求被结合在附图的详细说明之中，而每一项权利要求自身独立地限定了分别提出权利要求的主题。

Claims

1.一种检测器，包括：

一光电检测器，该光电检测器包括一单光子雪崩二极管，其中该单光子雪崩二极管具有阳极和阴极并且包括一种宽带隙半导体材料；以及

一猝熄电路，该猝熄电路被电耦连到该光电检测器上，该猝熄电路包括一第一晶体管，该第一晶体管具有第一电流电极、第二电流电极和控制电极，其中：

该第一电流电极被电耦连至该单光子雪崩二极管的该阴极上；

该第二电流电极被电耦连至电压基准上；

该第一晶体管经配置以在猝熄时转至一种接通状态；以及

该第一晶体管包括一种宽带隙半导体材料，该材料在约26℃下具有至少1.7eV的带隙。

2.如权利要求1所述的检测器，其中该光电检测器包括一单光子雪崩二极管器件的阵列。

3.如权利要求1所述的检测器，其中该单光子雪崩二极管的宽带隙半导体材料包括在至少150℃的温度下的至少1.2eV的带隙。

4.如权利要求1所述的检测器，其中该单光子雪崩二极管的宽带隙的半导体材料包括在至少150℃的温度下的至少2.0eV的带隙。

5.如权利要求4所述的检测器，其中该单光子雪崩二极管的宽带隙的半导体材料包括在至少150℃的温度下的介于2.0eV与4.0eV之间的范围内的一带隙。

6.如权利要求1所述的检测器，其中该第一晶体管的宽带隙半导体材料是一种与该单光子雪崩二极管的宽带隙半导体材料相同的材料。

7.如权利要求1所述的检测器，其中该第一晶体管的宽带隙半导体材料包括选自以下元素周期表的族一种材料，这些族的构成为：IV族元素、IV族化合物、III-V族化合物、II-VI族化合物、以及它们的组合。

8.如权利要求1所述的检测器，进一步包含电连接至该光电检测器的放大器。

9.如权利要求8所述的检测器，其中该放大器包含至少一个包含宽带隙半导体材料的电子器件。

10.如权利要求1所述的检测器，其中该猝熄电路在至少150℃的温度下具有不大于200ns的猝熄时间。

11.如权利要求1所述的检测器，进一步包含具有第一端和第二端的电阻器，其中：

该第一端被电耦连至该单光子雪崩二极管的该阴极上；以及

该第二端被电耦连至该猝熄电路的输出上。

12.如权利要求1-11中任一权利要求所述的检测器，其中该猝熄电路还包括第二晶体管，该第二晶体管具有第一电流电极、第二电流电极和控制电极并且包含该宽带隙半导体材料，其中：

该第二晶体管的该第一电流电极被电耦连至一输出点；

该第二晶体管的该控制电极被电耦连至该单光子雪崩二极管电极的该阴极和该第一晶体管的该第一电流电极上；以及

该第二晶体管的该第二电流电极被耦连至该第一晶体管的该控制电极上。

13.如权利要求12所述的检测器，其中该第二晶体管经配置以在猝熄时转至一种接通状态。

14.一种检测器，包括：

一光电检测器，该光电检测器包括一单光子雪崩二极管的阵列，其中该单光子雪崩二极管各自具有阳极和阴极并且包括一种宽带隙的半导体材料；

一猝熄电路，该猝熄电路被电耦连到该光电检测器的单光子雪崩二极管的阵列上，该猝熄电路包括一第一晶体管和一第二晶体管，其中：

该第一晶体管具有一电流电极及一控制电极，其中该电流电极被电耦连至该第二晶体管的控制电极和该单光子雪崩二极管的阴极上，并且该控制电极被电耦连至该第二晶体管的电流电极上；

该第一晶体管以及该第二晶体管包括与该光电检测器的这些单光子雪崩二极管相同的一种宽带隙半导体材料，以及

该宽带隙半导体材料在约26℃下具有至少1.7eV的带隙；以及

一校准模块，该校准模块被电耦连至该光电检测器上，该校准模块包括一单光子雪崩二极管，该单光子雪崩二极管包括一种宽带隙半导体材料。

15.如权利要求14所述的检测器，其中该校准模块的单光子雪崩二极管包括与该光电检测器的这些单光子雪崩二极管相同的一种宽带隙半导体材料。

16.如权利要求14所述的检测器，其中该第一晶体管具有一第一导电类型并且该第二晶体管包括不同于该第一导电类型的一第二导电类型。

17.如权利要求14所述的检测器，其中该猝熄电路进一步包括一第一电阻器，该第一电阻器被电耦连在该单光子雪崩二极管的该阴极以及该第二晶体管之间。

18.如权利要求17所述的检测器，其中该猝熄电路进一步包括一第二电阻器，该第二电阻器被电耦连至电压基准以及该第二晶体管。