Die Erfindung betrifft einen Hartpartikeldetektor zur Detektion von auftreffenden harten Partikeln.

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).

Aufgrund der sehr hohen Energien und Dosen jedes der zu detektierenden Partikel ist die Lebensdauer der Detektoren recht begrenzt.

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.

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.

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. 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 201 1/0095194 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.

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. 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 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.

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.

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. 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.

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.

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.

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.

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.

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. 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.

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 einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Hartpartikeldetektors ist die Dotierung des Materials des Kerns erhöht und beträgt mehr als 10 ¹² cm ^-3 (Anzahl Dotieratome je Kubikzentimeter), beispielsweise 10 ¹³ cm ^-3 , 10 ^{1 4} c m ^{- 3} oder mehr als 10 ¹⁴ cm ^-3 . Gegenüber Hartpartikeldetektoren gemäß dem Stand der Technik ist das ein Vorteil. Bislang bekannte Hartpartikeldetektoren müssen aus hochreinem und niedrig dotiertem (10 ¹² 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. 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.

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.

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 μητι, besser weniger als 100 Mm, noch besser weniger als 50 Mm oder weniger als 20 m oder beispielsweise 10 Mm, voneinander entfernt. Die Schichtgrenzen können auch 1 Mm oder weniger als 1 Mm, beispielsweise weniger als 100 nm, voneinander beabstandet sein, um eine effektive Überlagerung der elektrischen Felder, welche durch die Verarmungszonen verursacht sind, zu erreichen.

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. Die Länge des Kerns beträgt aus technologischen und praktischen Erwägungen heraus beispielsweise zwischen weniger als 1 μητι (Submikrometer) bis 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. 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.

In weiteren Ausgestaltungen ist es aber auch möglich, dass zusätzlich eine Sperrspannung angelegt ist. Ein Querschnitt des Kerns kann beliebige Formen aufweisen und beispielsweise rund, oval, dreieckig, viereckig oder vieleckig sein.

In einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hartpartikeldetektors ist mindestens ein Teil des Kerns säulenförmig auf einem Substrat aufgesetzt.

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. In einer anderen Ausgestaltung eines Arrays sind die Kerne der einzelnen Hartpartikeldetektoren miteinander durch eine gemeinsame Schicht des Halbleitermaterials elektrisch leitend verbunden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Abbildungen näher beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Hartpartikeldetektors im Längsschnitt,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Hartpartikeldetektors im Längsschnitt,

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Hartpartikeldetektors im Teilschnitt,

Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Hartpartikeldetektors im Teilschnitt,

Fig. 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Hartpartikeldetektors im Teilschnitt,

Fig. 6 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Arrays mit erfindungsgemäßen

Hartpartikeldetektoren im Längsschnitt,

Fig. 7 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Arrays mit erfindungsgemäßen

Hartpartikeldetektoren im Längsschnitt,

Fig. 8 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Arrays mit erfindungsgemäßen

Hartpartikeldetektoren im Längsschnitt,

Fig. 9 eine erste schematische Darstellung eines Durchgangs eines Partikels durch einen erfindungsgemäßen Hartpartikeldetektor im Längsschnitt,

Fig. 10 eine zweite schematische Darstellung eines Durchgangs eines Partikels durch einen erfindungsgemäßen Hartpartikeldetektor im Längsschnitt, Fig. 1 1 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

Fig. 12 eine beispielhafte Darstellung der Feldstärken über der Distanz in einem erfindungsgemäßen Hartpartikeldetektor mit zwei p-n-

Übergängen.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele vereinfachend dargestellt. Dabei kennzeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche technische Elemente.

Als wesentliche Elemente eines erfindungsgemäßen Hartpartikeldetektors 1 sind in Fig. 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.

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 1 1 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 Fig. 1 ). Der Durchmesser d des Hartpartikeldetektors 1 beträgt 50 μηπ, während seine Länge 1 300 Mm beträgt. In Richtung der Länge I 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.

In der Fig. 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 Fig. 1 ) ist durch Wirkung der Materialien der ersten inneren Schale 5.1 und der zweiten inneren Schale 5.2 bewirkt.

Einen erfindungsgemäßen Hartpartikeldetektor 1 mit einem rechteckigen Querschnitt zeigt vereinfachend Fig. 3. Die nach oben weisend gezeigte Stirnfläche sowie die durch die Länge I 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.

Ein viertes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 dargestellt und weist die gleichen Elemente wie der Hartpartikeldetektor 1 gemäß Fig. 3 auf. Allerdings ist der Querschnitt des Hartpartikeldetektors 1 nach dem vierten Ausführungsbeispiel rund.

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 Fig. 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.

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.

Es können mehrere erfindungsgemäße Hartpartikeldetektoren 1 in einem Array 9 angeordnet sein, wie dies vereinfacht in Fig. 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 Fig. 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.

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 einem Array 9, wie dies in Fig. 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 einem dritten Ausführungsbeispiel des Arrays 9 gemäß Fig. 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 der Fig. 9 ist ein Hartpartikeldetektor 1 gezeigt, wie er in Fig. 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.

Dass es für die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Hartpartikeldetektors 1 nicht entscheidend ist, von welcher Seite die Partikelstrahlung 10 auf den Hartpartikeldetektor 1 auftrifft, zeigt Fig. 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.

Fig. 1 1 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 Fig. 1 ) bewirkt ist. Dabei sollen die Halbleitermaterialien p-leitendes Silizium (Anzahl Dotieratome je Kubikzentimeter: 10 ¹⁹ cm ^-3 ) und n-leitendes Silizium (10 ¹² cm ^-3 ) sein. Vereinfachend wird ein abrupter Übergang angenommen, sodass die Feldstärke an der Schichtgrenze 1 1 von p- ieitendem zu n-leitendem Material am höchsten ist. Mit zunehmender Distanz von der Schichtgrenze 1 1 , 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 μιτι erreicht. Die maximale Feldstärke beträgt in diesem Fall rund 4,63 kV/cm.

In Fig. 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: 10 ¹⁹ cm ^-3 ) auf den beiden sich gegenüberliegenden Seiten des Kerns 2 aus n-leitendem Silizium (Dotierung: 10 ¹⁴ cm ^-3 ) gezeigt. Durch Wirkung der Materialien von Kern 2 und äußerer Schale 3 sind an jeder der gezeigten Schichtgrenzen 1 1 Verarmungszonen 7 und elektrische Felder 8 bewirkt, die sich jeweils von den Schichtgrenzen 1 1 in den Kern 2 hinein erstrecken. Die Feldstärke jeder der elektrischen Felder 8 nimmt dabei mit zunehmender Distanz zu der jeweiligen Schichtgrenze 1 1 ab, wie dies zu Fig. 1 1 beschrieben ist. Die Feldstärken beider elektrischer Felder 8 nehmen bei einer angelegten Sperrspannung von -10 V bei einer Distanz von 12 μη 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.

Alle vorgenannten Ausführungsbeispiele und Alternativen können im Sinne der Erfindung miteinander kombiniert werden.