CN86102223A - 形成在绝缘材料上的静电潜象的无损读出 - Google Patents

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Abstract

描述了用于无损读出在绝缘材料片或层上形成的静电潜象的方法和装置。半导体材料片或层置于与绝缘材料相当接近的位置上。形成在绝缘材料上的静电潜象在半导体材料的表面生成感应产生的表面耗尽层。当用合适波长的低强度调制光束扫描半导体时，在半导体材料上积累的电荷的位置及其分布作相应于半导体材料上感生的交流表面光电压的模拟信号读出，模拟信号的大小依赖于局部电荷密度。然后将所得到的模拟电信号数字化，处理，贮存和/或显示。

Description

本发明总的来说涉及用于无损地读出形成在绝缘材料上的静电潜像的装置和方法。更具体地，本发明是关于读出绝缘材料片或层上积累的电荷（静电荷面密度）的位置和大小的方法和装置，它涉及产生同半导体材料片或层上积累的感应电荷有关的表面耗尽层，然后用表面光电压效应确定半导体材料上积累的电荷的位置和大小。
本发明对于读出由X射线辐射形成在绝缘体上的静电潜像是特别有用的，但不仅仅限于由上述形式的辐射形成的静电潜像。
在某些情形中，如轮胎制造，编织，印刷，加工液体燃料或电子器件当中，积累的静电荷是有害的和不希望的。在另一些情形中，例如在电子照像技术中，静电荷的积累（即静电）是有益的，并用于形成物体的静电潜像，然后显现出来。然而在这两方面中，都需要精确确定静电荷的位置和大小。
有一些已知的不同用于测量静电荷的方法。早期用于检测静电荷的技术是利用例如金箔验电器，木髓球，和极轻的物质如烟灰等。这些方法只有历史上的价值。现在，静电荷通常由测量在表面上的静电势来确定。例如可用静电计（高输入阻抗电压计）测量参考电极上感应的交流信号来实现。在上述方法中交流信号可通过将电屏蔽周期性地引入参考电极和待测表面之间的空间来产生。电测方法是无损的并便于测量静电荷的大小。然而确定电荷分布需要对要研究的表面用小孔径参考电极进行缓慢而不方便的机械扫描，或要利用电极阵。
有一些确定电荷分布的无损方法。典型的例子是光导摄象管和电子照像术。在光导摄象管中，电荷分布图形存贮在半导体靶上。电荷分布是由在用电子束扫描靶子时测量电子束流的变化而确定的。在电子照象术中，在静电印刷面上的电荷分布（即在静电印刷面上形成的静电潜像），在显像过程中，通过被电荷吸引到静电印刷面上的调色剂粒子的分布而确定。
用半导体对积累在绝缘层中的电荷进行无损测量的现有技术主要用在电子器件领域内，特别是在计算机存贮上。在这种情况下，确定存贮在单个元素中的电荷是通过测量在半导体表面下形成的导电通道中的电流变化而完成的。
关于交流表面光电压，在1958年“物理评论”（Physical    Review），第111卷，第1期，第153至166页，RCA实验室E.O.Johnson的题为“用锗对大信号表面光电压的研究（Large-Signal    Surface    Photovoltage    Studies    With    Germanium）”的文章中进行了描述。该文章讨论了半导体中表面光电压和表面电势及因此产生的空间电荷之间的关系。
半导体锑化铟的光电压响应已用于确定半导体中电磁辐射引起的电荷分布。这在1967年的“应用物理通讯”（Applied    Physics    Letters），第22卷，第11期，第359至第361页R.J.Phelen，Jr.和J.O.Dimmock的题为“用均匀MOS结构成像和存贮（Imagingand    Storage    With    a    Uniform    MOS    Struc-ture）”的文章中进行了描述。投射到均匀MOS结构（半透明金属膜-氧化层-锑化铟夹层结构）上的像使半导体的表面耗尽区域发生变化。存贮在耗尽层中的电荷通过测量由“读”光子束引起该层饱合所造成的光伏响应而确定。只有几微米厚的耗尽层是有效结构。
最近，已证明由具有与半导体带隙相当或超过带隙的光子能量的，经高频调制的低强度光束所引起的交流表面光电压正比于半导体耗尽层电容的倒数，因而正比于该层中的电荷密度。而且，已发现在适当条件下测得的信号对于半导体和参考电极间距离的依赖很微弱。关于这一点，E.Kamieniecki在其所著的下述两篇文章中进行了讨论，即1982年的“真空科学与技术杂志”（Journal    of    Vacuum    Science    &    TechnoLogy），第20卷，第3期，第811至814页的题为“用光探针确定表面空间电荷电容（Determinat-ion    Of    Surface    Space    Charge    Capacitance    Using    Light    Probe）”的文章和1983年“应用物理杂志”（Journal    of    Applied    Physics），第54卷，第11期，第6481页至6487页题为“表面电容测量：在半导体/电解质系统中的应用（Surface    Measured    Capacitance：Application    to    Semicoductor/ELectrolyte    System）”的文章。
至今研究的总的结论是在半导体表面上的耗尽层中局部的电荷大小和交流表面光电压之间存在相互关系。在此交流表面光电压定义为由强度调制（周期性或非周期性）的光子束引起的表面电势的变化。此光子束可使在耗尽区的前表面生成载流子，或当由背面（反面）照射时在体内生成载流子并使载流子向耗尽区扩散（迁移）。
在G.W.Luckey的美国专利第3，859，527号中公开了用于在存贮介质中存贮图像的装置和方法，上述图像相应于高能辐射图形。将暂存介质（如红外激发的硫或热致发光材料）暴露在高能辐射入射图形下。暴露一段时间间隔后，用小区域长波辐射或热束扫描该屏使以光的形式释放存贮的能量。用适当的探测器接收由屏发射的光并产生相应于接收光的电能。由电能携带的信息通过用光束来扫描信息存贮介质而转换为存贮的像，上述光束是根据电能进行强度调制的。
有关气体电离照像术（gas    ionography），有时也称为电子放射学，其中X射线由在电离室的平行板之间的高压气体吸收，而产生的离子则由覆盖在其中一块板上的绝缘箔收集有关这方面的文章包括，刊在1974年“医学物理”（Medical    Physics）第1卷，第1期，第1至10页，A.Fenster，D.Plewes和H.F.Johns的“诊断放射学中离子照像术的效率和分辨率（Efficien-cy    and    ResoLution    of    Ionography    in    Diagnostic    RadioLogy）”;刊在1974年9月号“英国放射学杂志”（British    Journal    of    Radiology）第519页至529页H.E.Hohns等人的“放射照像术中形成静电像的气体电离法（Gas    Ionization    Methods    of    ELectrostatic    Image    Formation    in    Radiography）”;刊在1984年“医学物理”第11（2）卷，3-4月号第137至144页;B.G.Fallone和E.B.Podgorsak的“离子照相的潜像的充电特性（Charging    Characteristics    of    Ionographic    Latent    Images）”;刊在1974年“医学物理”第5卷，第5期，9-10月号第262页至265页，A.Fenster和H.E.Johns的“用于诊断放射学的液体离子照相术（Liquid    Ionog-raphy    FOr    Diagnostic    Radiology）”;刊在1980年“医学物理”第7（4）卷，7-8月号第315页至323页，D.Plewes和H.E.Johns的“静电放射照相术和离子照相术中灵敏度和边缘增强的理论与实验确定”（Theoretical    and    Exper-imental    Determination    of    Sensitivty    and    Edge    Enhancement    in    Xeroradiography    and    Ionography）。
根据本发明读出形成在绝缘材料片或层的表面上或内部的静电潜像的方法包括提供相当靠近绝缘材料的半导体材料片或层，以通过感应而在半导体材料片或层上产生表面耗尽层，然后测量当用合适波长的强度调制的光束来扫描半导体材料时，在半导体材料上产生的交流表面光电压。
根据本发明的实施方案，用于读出积累在绝缘材料片或层上的电荷的装置包括半导体材料片或层，参考电极，光源，光学聚焦系统，扫描器和电子放大线路。
本发明的一个目的是提供新的改进的方法和装置，用于读出形成在绝缘材料片或层上的静电潜像。
本发明的另一个目的是提供如前所述的无损的方法。
本发明的又一个目的是提供如前所描述的方法和装置，其中静电潜像作为模拟电信号被读出。
本发明的又一个目的是提供新的改进的读出部件。
本发明的再一个目的是提供新的和改进的光接收器。
本发明的另一个目的是提供可重复使用的固体光接收器，它能够存贮X射线潜像。
各种目的和优点将从下面的说明书中显示出来。在说明书中，根据参考构成说明书的一部分的附图，在其中以图的形式说明，实施方案得到更充分详细的描述，以使得在该技术领域内的本专业人员能够实现本发明，应该了解的是，不脱离本发明的范围，其它实施方案可利用且可作出结构的改变。所以，下面的详细说明书不包含限制的意义，并且本发明的范围由所附的权利要求书确定。
在图中，相同的参考数字代表相同的部分。
图1是绝缘体，读出部件和参考电极的剖视图，在上述绝缘体上可形成静电潜像，而上述读出部件和参考电极是根据本发明的一个实施方案构造的，用来读出在绝缘体上形成的静电潜像。
图2显示了图1中的读出部件的半导体部分和参考电极之间由任意放置的带负电的薄绝缘体造成的电荷分布;
图3（a）、3（b）和3（c）是具有不同绝缘体结构的图1中所描述的参考电极和读出部件的组合的剖视图;
图4是有助于理解本发明的等效电路;
图5是有助于理解本发明的等效电路;
图6是有助于理解本发明的曲线图;
图7是有助于理解本发明的等效电路;
图8（a）和8（b）是本发明的装置中参考电极可供选择的结构的部分剖视的俯视图;
图9是根据本发明制造的光接收器的一个实施方案的剖视图;
图10是用于实现本发明的装置的实施方案的示意图;
图11是用于实现本发明的装置的另一实施方案的一部分的剖视图;
图12是根据本发明制造的光接收器的另一实施方案的剖视图;
图13是根据本发明制造的光接收器的另一实施方案的剖视图。
本发明的目的在于发明（Ⅰ）用于读出积累在绝缘材料片或层上的电荷分布和大小（更确切地说是表面分布）的装置及（Ⅱ）读出绝缘材料片或层上的电荷分布图形的方法。
该装置的主要部分是（1）读出部件，（2）参考电极，（3）光照系统，（4）扫描器和（5）电子探测系统。
读出部件包括半导体材料片或层。光照系统包括光源，光学聚焦系统和光调制器。
读出部件可固定在绝缘材料上，或与绝缘材料分开。
在半导体材料的背面或侧面具有电气触点，上述半导体材料的形状可以是片状（薄片）或层状（薄膜）。半导体的前表面可不进行覆盖，或为了电防护，可覆盖保护绝缘层。作为例子，半导体材料可用单晶、多晶或非晶硅，或硅的合金，保护绝缘层可用氧化硅或氮化硅。置于半导体前面距前表面一定距离处的是导体参考电极。半导体可用来自光照系统的光从前面经过参考电极或从背面照射（即扫描）。在从前面照射的情况下，参考电极和保护绝缘材料对于所用的光必须是透明的，而在从背面照射的情况下，背面的电气触点及用于半导体的任何支持物或衬底对于所用的光必须是透明的。在前照射的情况下，为了提高效率，所用光的光子能量最好超过半导体带隙。在从背面照射的情况下，光子能量须与能隙相差不大，使其能穿过半导体到距前表面足够近之处，以提供耗尽层中的载流子。
在后面要描述的本发明的一个实施方案中，待测的具有电荷分布的绝缘材料（绝缘体）比半导体和参考电极之间的缝隙薄得多，而在另一个实施方案中，绝缘材料的厚度与缝隙相差不大。
在前面提到的第一个实施方案中，积累了待测电荷图形的绝缘材料所处的位置与半导体的距离远小于到参考电极的距离。对于某些应用，如确定位于绝缘体表面上的电荷密度图形及电荷跨过绝缘体的迁移（如在用光照光导电性绝缘体例如含硒的合金的情况下），这个绝缘材料甚至可附着在半导体的前表面上，例如通过沉积在保护绝缘层上。移去留在与半导体相对的绝缘体表面上的电荷后，电荷跨过绝缘体的迁移的效应可由测量积累在绝缘体上的总电荷而确定。上述电荷可象在静电印刷术中应用的那样，用刷子或交流电晕放电移去。
本发明也可用于测量直接沉积在绝缘材料层（如保护绝缘体）上的电荷，上述绝缘材料层是由各种方法例如沉积法在半导体上形成的。电荷的沉积可由X射线辐照气体，如空气，氙或氟利昂来实现。
在上面提到的第二个实施方案中，半导体置于靠近绝缘材料层或平面的一边，而参考导电电极位于靠近绝缘材料层或平面的相反一边。如果电荷形成在这个绝缘层的一边，然后象静电印刷过程那样，某些位置上的电荷迁移到相反的表面上，位于靠近导电参考电极的绝缘体表面上的电荷就会被参考电极上的电荷中和掉，并且只有位于与半导体相邻的表面上的电荷导致半导体中感生相反的电荷。在这种情况下，本发明的方法将可用于确定只位于一个表面（即处于靠近半导体的那个表面）上的电荷密度图形，并且由此可用于确定绝缘体中的电荷迁移效应。
在前照射的情况下，测量中的绝缘体对于所用的光须是透明的（或半透明的），而且所用的光必须在这个绝缘体中不造成任何的电荷重新分布。这一点在背照射的情况下是不需要的，假如光照不穿过在测量中的绝缘体。
根据本发明的方法检测绝缘材料中积累的静电荷要求在半导体中存在耗尽层。这可通过使用预先充电的（通过外部装置）或引入适量电荷的保护绝缘层来实现。在测量中的绝缘体中积累的电荷只改变预先建立的耗尽层。耗尽层的存在也可通过使用能因感应电荷而形成耗尽层的具有合适类型电导率的半导体来实现。在这种情况下，n型半导体可用于检测负电荷，而P型半导体用于检测正电荷。在任何情况下，在半导体表面（界面）态上积累的电荷须足够低，以便于因半导体中感应的电荷改变耗尽层。
在读出半导体上积累的电荷产生的输出电信号是通过在读出装置的电荷敏感部分里（即半导体和参考电极之间）用强度调制光照生成的。根据需要可使用扫描模式和调制的不同组合。在光栅的情况下，扫描光可周期性地调制（如正弦型调制）也可不调制。非调制的光实际上类似脉冲调制的特性，因为每个区域元素只照射很短的时间。
在电压模式中，探头同高输入阻抗的电子探测系统一起操作。在电流模式中，电子系统的输入阻抗地半导体-参考电极系统的输出阻抗低。在电压模式中，包括电子探测系统的输入的探头的时间常数要比光调制的周期（或有效脉冲宽度）长，但又要足够短，以便能给半导体充电（形成耗尽层）。时间常数应介于秒和毫秒之间。
现在参考图1，其中显示了根据本发明的一个实施方案的绝缘体IM和读出部件11及参考电极12的放大的剖视图，在上述IM上可形成静电潜像（通过各种已知的方法，未画出）。
读出部件11包括半导体片13，它用透明的保护绝缘材料层15盖在其上表面或前表面14上。保护绝缘层15作为电保护（阻断接触）以防半导体13将电荷注入绝缘材料IM的体内，上述IM的静电荷分布是待读出的。参考电极12置于半导体13之上并留出间隔。将一块在其上形成待测静电荷的绝缘材料IM置于半导体13与参考电极12之间的间隔内。参考电极12包括在透明衬底18上的透光的导电层17（或分成组的-如一系列条状的导电层）。另外，参考电极12可包括导线网。半导体片13通过电气触点21同引线19电连接。上述电气触点21是层状的，在半导体片13的背面20上。另一个电引线23连到参考电极12的导电层17上。读出部件11可从前面（上面）穿过参考电极12照射（扫描），如箭头A所示。
在已实际建立和检验的读出部件11的实施方案中，晶态硅薄片用作半导体片13。n型和p型硅都已使用和检验。n型硅薄片是单晶Czochralski或（111）取向并且电阻率在5到7欧姆/厘米范围内。P型硅也是单晶Czochralski或（111）取向并且电阻率在7到14欧姆/厘米范围内。1000到3000埃的氧化硅覆盖层用作保护绝缘体。
除了用单晶硅外，作为例子，其它可用作半导体13的可能材料是微晶硅、非晶（氢化的或掺氢）硅和硅-锗合金。这些材料，如后面所解释的，用于制做读出部件可能更好，因为在这些材料中少数载流子的寿命比在单晶中短。多晶、微晶和非晶材料也可比晶态薄片的尺寸造得更大。绝缘保护层15可能的选择包括由沉积或化学反应（如氧化）形成的氧化硅（SiO2）和氮化硅（Si3N4）及带氮化硅的n型或p型非晶硅。
在制成的实施方案中所用的参考电极12是不锈钢线网，每线性吋的网眼数在150×150到400×400的范围内，开口分别在0.1到0.04毫米范围内。某些测试也使用氧化铟锡（ITO）膜，沉积在朝向半导体13的玻璃表面上。参考电极12与半导体13分开距离d大约0.5毫米或更小。该距离d，根据电子学和应用的类型，可扩大到几个毫米。
本发明的制成的实施方案中用于照射半导体的光源是发光在585和700毫微米的发光二极管（LED）及氦氖（633毫微米15毫微瓦）和二极管（820毫微米，10毫瓦）激光器。来自氦氖激光器的光用声光调制器调制。LED和二极管激光器用合适的电源调制。读出部件11从顶部照射，如箭头A所示。
触点21可具有点的形状而不是层状，并且可在半导体13的侧面而不是在半导体13的背面。
半导体13也可从背面（即底部）照射。如箭头B所示。然而后者的结构要求在其上形成半导体的衬底（如果半导体13只是一层）是透光的，而且接在半导体上的电气触点21不阻挡光，以使光可射到半导体13的底面上。激发光的波长必须符合半导体13的带隙，即半导体13中载流子的产生要足够接近于半导体13的前部（即顶部）的有效表面。
对于某些应用（如使用光导电性绝缘体时）须保证光没有透过半导体13，或者在光实际透过了时，须保证其不在绝缘体中引起电荷的重新分布。
图2显示在半导体13和参考电极12间由积累在薄层绝缘体IMT上的负电荷感应的电荷分布，上述薄层绝缘体IMT位于半导体13和参考电极12之间。为建立这个分布，半导体13和参考电极12都首先接地。这个分布是根据为金属-氧化物-半导体（MOS）电容而发展的理论得出的，特别是在1965年“应用物理通讯”，第36卷，第5期，第1664页至1673页，E.H.Snow，A.S.Grove，B.E.Deal和C.T.Sah的文章“绝缘膜中的离子输运现象（Ion Transport Phenomena in Insulating Films）”中。根据他们的研究，厚度可忽略的绝缘层IM中的负电荷Q将在半导体13中感应出正电荷，其大小为：
Qs＝-（X2/X0）Q
而在参考电极12中感应出正电荷的大小为：
QR＝-（X1/X0）Q
其中X0为半导体13与参考电极12间的距离，X1为绝缘体IMT与半导体13间的距离，X2为绝缘体IMT与参考电极12间的距离。如果积累在绝缘体IMT中的电荷是正的，那么在半导体13和参考电极12中感应的电荷就是负的。
本发明涉及通过测量半导体13中的感应电荷来确定积累在绝缘层IM中的电荷。这样，按照上面等式，待定电荷须靠近半导体13并远离参考电极12，或至少所有的距离都确切地知道。某些可能的绝缘体IM的结构显示在图3a、3b和3c中。
显示在图3a至3c中的所有电荷分布是在将半导体13和参考电极12接地后建立的。这样可使相反符号的电荷从这些电极上流出。
图3（a）中，绝缘薄膜形式的绝缘体IM位于离半导体13（它可包括保护绝缘层，未画出）相对很近并且与参考电极12相对较远之处。在这个结构中，大部分电荷感应在半导体13中。例如，如果半导体13和参考电极12间的距离为1毫米，而绝缘体IM1是在距半导体0.001毫米处，则只有总感应电荷的0.001感应在参考电极12中。这种结构可通过将绝缘体IM1在半导体13上制成薄膜来实现。这种结构的另一个例子是通过测量直接存贮在绝缘层IM1上的电荷来实现。
图3（b）说明这样一种方案，其中绝缘体IM2是个相对较厚的片并且只有一个表面带有电荷。在这种结构中绝缘片IM2的带电表面靠近半导体13，而从绝缘体的相对（不带电的）表面到参考电极12的距离没有严格要求。除了电荷积累在厚绝缘片IM2的薄层上而不是薄膜上以外，这种结构中的读出部件的实际操作与图3（a）所示的相似。该薄层的安置条件与图3（a）所讨论的相同。如果绝缘体IM2是光导电性绝缘体，那么该条件可通过照射（或用X射线或伽玛射线辐照）和靠高强度电场分离电荷来实现。接着，一侧表面所带的电荷就可移走。这种结构所需的材料是光导电性绝缘体，例如硒或硒的合金，它们用于静电印刷术及干式射线照相术。
图3（c）所示的方案是绝缘体IM3的形式为两个表面都带有电荷的相对较厚的绝缘片。在此结构中，半导体13和参考电极12以这样的方式安置在绝缘片IM3相对的两侧附近，使得半导体13与参考电极12间的距离远大于半导体13和参考电极分别到绝缘片IM3两表面的距离。在这种结构中，半导体13中的大部分电荷是由绝缘片IM2靠近半导体13的那个表面上积累的电荷感应的，而绝缘片IM3（或厚层）的相反表面上积累的电荷由参考电极12上感应的电荷所中和。由于本发明的方法是利用半导体来确定电荷，因此只有绝缘体上靠近半导体13的那个表面上的电荷能被测量到。所以本发明的方法能够测量靠近半导体的那个表面上积累的电荷而不必考虑其相反表面上的电荷。
图3（c）所示的电荷分离发生在例如静电印刷术和干式射线照相术所使用的光导电性绝缘体中。
关于表面光电压方面有广泛的理论和实验文献。在本发明的方法中，交流表面光电压（可定义为由表面势垒光调制引起的电压或电流的变化）能确定半导体表面形成的耗尽层中积累的电荷。形成耗尽层和与其相伴的表面势垒以中和与表面相邻的绝缘层中或绝缘体-半导体界面上的电荷。由光子能量超过半导体带隙的强度调制的光引起的表面势垒高度的调制幅度是耗尽区里电荷密度的函数。因而，根据本发明的方法对交流表面光电压进行测量可确定与半导体表面相邻的绝缘层中或半导体-绝缘体界面上积累的电荷。
在下面的理论分析中，将考虑两种不同的方案。第一种是用均匀照射半导体表面来确定整个绝缘体上的平均电荷，第二种是用聚焦在半导体表面上的扫描激光束测绘出电荷的分布。
本发明的方法中所用的半导体既可以是n型，也可以是p型的。为了集中注意力，这里将考虑n型半导体。在半导体体内电离施主的正电荷被导带中的自由电子所中和。与半导体相邻的绝缘层带负电荷。由于此负电荷的存在导致耗尽电子的带正电荷的区域（空间电荷-耗尽区）的形成。半导体中未被补偿电荷的存在导致了静电势的变化并在表面形成了静电势垒。单晶硅中此势垒的高度可超过0.5伏特。在施主杂质浓度等于1015/立方厘米的n型硅中，与势垒高度等于0.5伏特相应的空间电荷区的宽度是0.8微米，这个区域中的电荷密度是8×1010电子电量/平方厘米。
现在讨论在耗尽条件下n型半导体表面光电压的测量原理。
在光子能量超过半导体带隙的光照射下，在空间电荷-耗尽区产生电子-空穴对。由于空间电荷区中有电场存在，光生电子将流向半导体体内，而空穴流向表面。半导体里总的（净）电荷不会因该过程而发生变化，但伴随光生电子-空穴对的分离而产生的附加电场减弱了空间电荷区中的电场，并且降低了表面势垒。这个变化叫表面光电压（如前面所描述的）。
载流子的光生效应会受到载流子复合的抑制。由于在（没有钝化的）表面缺陷密度高于体内，因而光生载流子的复合主要发生在表面。复合率受电子克服势垒（靠热激发）并到达表面的概率限制。因此，通常势垒越低。复合率越高。在强度恒定和穿透深度很小的入射光下（当从下面照射时，即由图1的箭头A所示），表面上空穴的产生率与势垒高度无关。所以，表面光电压与表面势垒高度的关系仅由复合率控制。势垒越低，表面光电压越低。因此表面光电压能用来测量表面势垒的高度。而且，由于表面势垒高度Vs与空间电荷区中的电荷密度Qsc有关系：Qsc∝｜Vs｜ （参见S.M.Sze所著Wiley & Sons公司1969年在纽约出版的“半导体器件物理（Physics of Semiconductor Devices）”一书），所以表面光电压可用来测量空间电荷区中的电荷密度。
早在以前人们就得出，由低强度调制光在半导体中引起的交流表面光电压δVs与半导体耗尽层电容Csc的倒数成正比。参见E.Kamieniecki的文章，刊在1982年“真空物理与技术杂志”（Journal    of    Vacuum    Science    &    Technology）第20卷，第3期，第811页至814页，“利用光探针确定表面空间电荷电容（Determination    of    Surface    Space    Charge    Capacitance    Using    Light    Probe）”;以及刊在“应用物理杂志”，1983年，第54卷，第11期，第6481页至6487页，“测量表面电容：在半导体/电解质系统中的应用”。由于耗尽层电容与耗尽层中的电荷密度成反比，这就导致等式中交流表面光电压正比于耗尽层中的电荷密度。
δVs＝A＊Qsc （1）
其中因子A正比于入射光子通量除以光调制频率，并且依赖于系统的其它一些参数加入射光波长和半导体的掺杂浓度。类似地，可证明对于高强度的入射光，交流表面光电压由下列关系式给出：
δVs∝ln（1+B＊Qsc） （2）
其中B是与等式（1）中的A相似的比例因子。
测量交流表面光电压时的表面耗尽层等效电路如图4所示。
使用高输入阻抗电子探测系统（源极跟随器）测量小信号交流表面光电压时的表面耗尽层等效电路在E.Kamieniecki的文章“表面电容测量：在半导体/电解质系统中的应用”中进行了讨论，参见1983年“应用物理杂志”，第54卷，第11期，第6481至6487页。
正如以前所讨论的，无光照的n型半导体中空间电荷区里自由电子被耗尽，也就是说空间电荷区是绝缘的。光生电荷积累在此区域的两边，空穴在表面而电子在此区域相对的一边。在一个光照周期（脉冲）之中，在低强度光照，或更确切地说在少量电荷注入下，空间电荷区宽度W的变化可以忽略。在此条件下，空间电荷区可用每单位面积的空间电荷电容
Figure 86102223_IMG2
＝∈s/W来表示，其中∈s是半导体的介电常数。耗尽层总电容为Csc＝S× ，其中S是电荷感受元件的面积（半导体或参考电极的最小面积）。载流子的光生效应提供了上述电容的充电电流Jh，载流子的复合降低了对空间电荷电容的充电速率，并可用一个并联电阻R来表示。在上述标记下，当使用高输入阻抗电子探测系统（无负载、无输入电流）对正弦调制光照下的表面光电压交流部分δVs进行测量时，表面光电压的交流部分可用下列关系式描述：
δVs＝
Figure 86102223_IMG4
τ＊Jh/（1+jwτ） （3）
其中τ＝RCsc，W＝2πf，j＝ - 1 。
在光调制频率很高时，即wτ＞＞1时，上述关系式可简化为δVs＝-jJh/wCsc。对于包括单晶硅和砷化镓在内的若干种材料，在较高频率下（大约100千赫兹）这些关系式的适用性已被实验所证实。
有关与任意输入阻抗电子探测系统相应的基本交流表面光电压系统的等效电路的讨论，可参见1983年“应用物理杂志”第54卷，第11期，第6481至6487页，E.Kamieniecki的文章“表面电容测量：在半导体/电解质系统中的应用”。
在图5中，Zsc是空间电荷区的阻抗，Zi是半导体与参考电极之间的耦合阻抗，ZL是电子探测系统的输入阻抗。通过负载的电流由下式给出：
JL＝Jh（1+（Zi+ZL）/Zsc）-1（4）
在耦合阻抗（见图5）Zi无穷大时，开路光电压为
δVs＝JhZsc    （5）
所以，负载阻抗ZL两端的交流电压为：
δVm＝δVs（1+（Zi+Zsc）/ZL）-1（6）
对于在频率足够高以至于阻抗的电容性部分比起电阻性部分小得多的情况下，上述等式简化为：
δVm＝δVs（1+CL/CT）-1（7）
其中
CT＝（1/Ci+1/Csc）-1
CL是负载电容，Ci与Csc分别是耦合与空间电荷电容。依赖关系（7）的实验证实如下一个图所示。
对于在半导体与参考电极间放入不同厚度绝缘材料所形成的不同间隔，并具有图1所示结构的n型砷化镓，其总电容与测得的交流表面光电压信号的相互关系如图6所示。其中实线是根据等式（7）计算出来的，参见1983年“应用物理杂志”第54卷，第11期，第6481至6487页，E.Kamieniecki的文章“表面电容测量：在半导体/电解质系统中的应用”。
在实际系统中Ci＜＜Csc。如果使用具有CL＜＜Ci的高输入阻抗电子探测系统，那么由前面的关系式及图6的结果可得出，测得的光电压对Ci的依赖很小，因而也就对半导体表面与参考电极间的距离依赖很小。
除了电压测量以外，另一个方法是使用低输入阻抗的电子探测系统测量电流，此时ZL＜＜Zi。在频率足够高以致阻抗的电容部分比电阻部分小得多的条件下，等式（4）简化为
JL＝Jh（1+Csc/Ci）-1（8）
在实际系统中，耦合电容要比空间电荷电容小得多。
JL＝Jh Ci/Csc （9）
对于掺杂浓度为1015/立方厘米的硅来说，每单位面积的空间电荷电容
Figure 86102223_IMG5
≈10-8法拉/平方厘米，而对半导体与参考电极间有1毫米空隙，每单位面积的耦合电容 ≈10-11法拉/平方厘米。
JL≈10-3Jh （10）
Jh与入射光强通过下列等式相联系：
Jh＝qΦS    （11）
由关系式（10）和（11），半导体在均匀光照下所测得的电流：
JL≈5μA 当ΦS＝10μω时
JL≈5μA 当ΦS＝10mω时
所有的上述考虑都是让光从位于参考电极之下的半导体的整个表面的前面均匀照射的。
如果照射在半导体上的只是一个小光斑，那么产生的载流子将不仅仅被限制在小光斑的范围内。由于扩散，表面上积累的光生载流子（在n型半导体中是空穴）会扩散到由表面上的载流子扩散长度所限制的区域中（与表面平行）按照D.G.Avery和J.B.Hunn发表在“物理学会文集（伦敦）”（Proceeding    of    Physical    Society（London））1955年第B68卷，第918页至921页题为“半导体测量中调制光斑的利用（The    Use    Of    A    Modu-lated    Light    Spot    In    Semiconductor    Measurement-s）”一文的观点，在强度调制光斑的情况下有效扩散长度由下列关系式给出：
L2h＝（Dhτ）/（1+Jωτ） （12）
其中Dh是空穴扩散系数，τ是表面复合时间。如果忽略表面上载流子迁移率的减小，n型单晶硅中空穴的扩散系数为Dh≈10〔厘米〕2/秒。当τ为10-5秒量级并且使用非调制光（ω＝0）时，在硅中观察到的空穴扩散长度具有100微米量级。
使用强度调制的光能提高测量分辨率。还可通过减小τ来提高测量分辨率。
因而，所获得的分辨率依赖于照射光束的调制频率。使用半导体为晶体硅或非晶硅并在频率为80千赫兹的强度调制光束照明下已达到高于0.1毫米的分辨率。
在背照射情况下考虑与前面相似，但有三点补充或不同。第一，进入耗尽层的载流子是半导体体内由于光照产生的载流子来提供的。第二，所产生的光电压不及正照射情况的效率高，因为一些载流子在到达耗尽层之前复合掉了。第三，为了获得高分辨率半导体层的厚度应比正照射的情况下小。
在用聚焦光斑对半导体表面进行局域照射时使用任意输入阻抗的电子探测系统的情况下，基本交流表面光电压系统的等效电路如图7所示。
在（由聚焦光斑照射引起的）局域产生载流子的范围比参考电极下的半导体表面小的情况下，图5中的Zsc和Zi将与光斑大小和光生空穴表面扩散所限定的范围相关联（图7中的
Figure 86102223_IMG7
和Zi）。电荷感受元件的黑暗部分使得电子探测系统的输入阻抗降低。因而，等式（6）中的Zi+Zsc将由
Figure 86102223_IMG8
（光斑区域的阻抗）代替。在电压测量时，电子探测系统的输入阻抗高，故（6）式中的ZL可用接收器黑暗部分的总阻抗代替。如果s是光照部分（加上扩散）的面积，S是接收器的总面积（比s大得多），在假设光照时光照区域的总阻抗变化可以忽略的情况下（即
Figure 86102223_IMG9
），那么负载阻抗仅为光照区域阻抗的（s/S）。输出电压也减小相同的因子。所以，
δVm＝（s/S）δVs    （13）
因子s/S减小了探测的灵敏度。
在电流测量模式下，可使电子探测系统的负载阻抗等于电荷感受元件的无光照部分的阻抗，因而也就比图7中的
Figure 86102223_IMG10
小得多。在此条件下电子探测系统测得的电流只比均匀照射时〔等式（10）〕减少一半，如果两种情况下半导体总光照保持相同的话。但是，即便在电流模式，系统的性能也被认为随着光斑面积与半导体总面积比率的减少而降低。
读出装置的性能，尤其是电压测量模式的灵敏度可通过将参考电极分成区域来提高。
图8（a）和8（b）所示的是参考电极12的某些可供选择的结构。
图8（a）中的参考电极12-1包括大量的导体条12-11，它们位于透明衬底12-12上面。这些导体条12-11的宽度大约与射在参考电极12-1上的光斑（加上扩散）的直径相同。在此种情况下，S仅相应于一个条（部分）的面积，因而s/S增加了。
图8（b）中，参考电极12-2具有大量的宽度比光斑直径小得多的导体条12-21，它们夹在透明衬底12-22与光导电性绝缘材料构成的均匀层12-23之间。此绝缘层12-23在光照区域具有导电性并与相应的导体条形成电接触。在这种情况下，如果接触的导体条的面积可忽略，因子s/S就将接近于1。如果用掺杂非晶硅作为灵敏的半导体电极，那么绝缘层12-23可以是未掺杂的高阻的非晶硅。
现在参见图9，这是按照本发明的原理制成的光接收器41的一个实施方案的剖视图，这个光接收器作为一个单元包括读出装置和光导电性绝缘体。
光接收器41包括由导体材料制成的衬底43。将半导体材料层45，例如单晶（如硅）或非晶（如硅或硅锗合金）层，通过某种常规方法沉积在衬底43的上表面上。保护绝缘层47，例如氧化硅或氮化硅，沉积在层45上，然后将光导电性绝缘层49，如硒合金，做在层47上面。其它可以应用的光导电性绝缘层的例子是非晶或多晶的碘化汞或铅的卤化物，如碘化铅（PbI2）。
在使用光接收器41时，把（如通过电晕放电的方法）预先充有电荷的光导电性绝缘层49暴露在辐射（如X射线辐射）的图形之下，这样将在其上面形成电荷潜像。由电荷潜像在半导体层45上感应出来的表面耗尽层可通过用光束对半导体45扫描和测量半导体45与参考电极（未画出）间的输出光电压来读出。既可以从半导体11的顶上，也可以从其底下扫描。如果从顶部扫描，扫描光所具有的波长应不与光导电性绝缘层49相互作用。如果从底部扫描，衬底43必须透明。
图10所示的是实施本发明的装置51的一个实施例。
靠调制电源54提供能量的二极管激光光源53产生的强度调制光束由透镜55聚焦，经传导电极12照在光接收器41的半导体层上。另外一些，但不是全部的，可能使用的光源的例子包括发光二极管（LED），氦氖（He-Ne）激光器和氦镉（He-Cad）激光器。如果使用发光二极管，光束的调制靠使用调制的电源来实现。如果使用气体激光器，光束的调制靠外部光调制器如声-光调制器来完成。在到达半导体层之前，X-Y扫描器57使得强度调制光束发生偏转，扫描器可以是麻省水城（Watertown，MA.）的General    Scanning有限公司制造的XY光电流计，扫描器型号为XY100PD.传导电极12与光接收器41间产生的最终的输出光电压信号经电子学装置59中的放大器放大，由数字转换器61数字化后送入计算机63，在计算机中可进行处理，贮存和/或在监视器65上显示。
图11所示的方案中光是从半导体45的背面而不是从其正面照射的。
图12所示的是根据本发明设计的光接收器的另一实施方案，此光接收器由参考数字141标志。光接收器141包括半导体片145（它可以是硅），在其上部表面沉积一层保护绝缘层147（可以是氧化硅）和一层光导电性绝缘层149（可以是硒）。
图13是根据本发明设计的光接收器的另一实施方案，此光接收器对X射线或任何其它的离子辐射敏感，它由参考数字241标志。光接收器241包括读出部件244，它由半导体片245（可以是硅）及沉积在其上面的保护绝缘层247（可以是氧化硅）组成。读出装置244与金属电极251（可以是铝铅合金或钨）之间由充有气体（如空气、氟利昂或氙）的空隙隔开。在使用光接收器241时，首先在电极251与半导体245间加一高电压。然后当光接收器受到辐照（如X射线辐射）时，光子或由辐射引起的光电子在气体中造成离子，它们受电场作用沉积在保护绝缘体247的表面上。
值得注意的是，本发明所有的实施方案中绝缘体（IM或49）是光导电性的，因而重要的是读出光束不能干扰光导电性绝缘体中的电荷分布。无论是从半导体正面还是其背面照射都是如此。这可通过适当选择照射光束的工作波长以及光导电性绝缘层和半导体层所用的特殊材料来实现。
本发明的实施方案仅仅是作为举例，对于那些精通本技术领域的人，在不背离本发明精神的情况下能做出许多的变化与变型。所有这些变化与变型都将包括在所附的权利要求所确定的本发明的范围内。

Claims (22)

1、读出积累在绝缘体上的电荷的方法，所述绝缘体具有前表面和背面，所述方法的特征在于包括：
a)备有半导体，所述半导体具有前表面和背面，
b)将所述半导体置于离所述绝缘体足够近之处，以使得在所述半导体中感应耗尽层，所述耗尽层同所述绝缘体上积累的电荷有关，
c)探测积累在半导体上的电荷的数量和位置。
2、权利要求1的方法，其特征在于积累在半导体上的电荷的数量和位置是用表面光电压效应探测的。
3、权利要求2的方法，其特征在于探测积累在半导体上的电荷的数量和位置包括：
a）备有参考电极，
b）用光子能量与所述半导体相互作用的光照射所述半导体，
c）探测所述参考电极和所述半导体之间产生的电信号。
4、权利要求3的方法，其特征在于所述光的形式是光束。
5、权利要求4的方法，其特征在于所述光束是扫描光束。
6、权利要求5的方法，其特征在于所述光束是强度调制的。
7、权利要求6的方法，其特征在于光束从背面照射在所述半导体上。
8、权利要求6的方法，其特征在于光束穿过参考电极并穿过绝缘体从前面照射。
9、权利要求7的方法，其特征在于所述绝缘体是光导电性的。
10、权利要求9的方法，进一步包括所产生的电信号数字化。
11、权利要求10的方法，其特征在于积累的电荷是通过辐射形式在绝缘体上的。
12、权利要求11的方法，其特征在于积累的电荷是由于被辐照形成在绝缘体上的。
13、用于读出绝缘体上积累的电荷的装置，所述装置的特征在于包括：
a）置于所述绝缘体的一边并且与其很接近的半导体，以使得半导体上感应出的耗尽层与所述绝缘体上积累的电荷有关;
b）位于所述绝缘体另一边的参考电极，
c）用光束对所述半导体扫描的装置，所述光束在所述半导体与所述参考电极间产生相应于所述半导体上感应电荷的电信号，
d）探测上述电信号的装置。
14、权利要求13的装置，其特征在于所述半导体具有薄片形状。
15、权利要求14的装置，其特征在于所述半导体具有薄膜形状。
16、权利要求15的装置，其特征在于所述的半导体和绝缘体都是衬底上的薄膜。
17、权利要求16的装置，其特征在于通过X射线辐照在所述绝缘体上形成积累电荷。
18、用于读出绝缘体上积累的电荷的读出部件，其特征在于包括：
a）半导体，
b）所述半导体上面的保护绝缘层。
19、光接收器，其特征在于包括：
a）半导体，
b）所述半导体上面的保护绝缘体，
c）所述保护绝缘体上面的光导电性绝缘体。
20、权利要求12的装置，其特征在于参考电极包括：
a）透明的非导电衬底，
b）所述衬底上大量的由导电材料做成的平行条。
21、权利要求12的装置，其特征在于参考电极包括：
a）透明非导电材料制成的衬底，
b）所述衬底顶部的一层均匀的光导电性绝缘材料，
c）夹在所述衬底与所述光导电性绝缘材料层之间的多个由导电材料制成的平行条。
22、光接收器，其特征在于包括：
a）半导体材料衬底，
b）在所述衬底上面的保护绝缘层，
c）与所述衬底分开的金属电极。
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