粒子探测技术之5.3径迹测量半导体探测器

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1、实用标准文案径迹测量的半导体探测器初期的硅微条探测器无论在设计和技术工艺水平方面都比较低，位置分辨率也不高，随着高能物理实验的发展要求，探测器技术及半导体各种技术工业和光刻技术的发展，硅微条及一些相关的半导体探测器都得到了快速得发展和应用。如双边读出的硅微条探测器，像素探测器，硅漂移室，CCD，硅片探测器等，都有了新的发展，在不同的实验中，都有一些应用。另外还由于高度集成化低噪音的前端电子学的研制成功，也推动了这些探测器的发展提高。硅微条探测器是目前使用最广泛的半导体探测器，具有非常好的位置分辨率，但对辐射损伤比较灵敏。电荷耦合器的读出时间很长，但还是被

2、广泛应用于需要高的空间分辨和中等的时间分辨的场合。日本的高能物理实验室KEK计划把它用作未来实验的顶点探测器，位置分辨率设计为2μm.像素探测器具有非常好的位置分辨率，但需要大量的基础电子元器件来组成，它的先进性在于它只用单边的技术工艺也提供了两维的高位置分辨率。这种探测器已经被应用到LHC高能物理实验中。硅漂移室的允许计数率比一般的半导体探测器高几十倍，时间分辨率好，噪声小，且节省电子学经费。1硅微条探测器随着半导体技术的迅速发展，半导体粒子探测器也有了很大的发展，其中，硅微条探测器SMD(SiliconMicrostripDetector)的发展和应

3、用是非常突出的一个，近十几年来，世界各大高能物理实验室几乎都采用它最为定点探测器，如即将运行的大型强子对装机LHC上的大型实验ATLAS和CMS都选用SMD作为探测粒子径迹的径迹探测器。在核医学领域的CT和其他数字化图像方面的应用研究，也有了很多新的进展。一、硅微条探测器的特点硅微条探测器最突出的特点是具有非常好的位置分辨率，他的位置分辨率是目前各种探测器中最高的，可以做到1.4μm。由于带电粒子在硅中产生一对电子空穴所需要的能量为3eV，比在气体和闪烁晶体中都要小，所以具有很高的能量分辨率。因带电粒子在硅中损失能量较大，约为390eV/μm，在较宽的能

4、量范围内输出幅度与入射粒子种类无关，有很宽的线性范围。采用微电子工艺的半导体探测器很薄，典型的厚度为300μm，产生的电荷在很小的区域里被收集，响应时间非常快，一般可达到5ns左右。因此，可以实现高计数率，可超过·s。由于硅半导体密度大，有一定的刚度，他可以做的很薄并能自身支持。有的还可做得更薄，整个探测器可以做得很小。硅微条探测器对辐射损伤比较灵敏，如果收到强辐射其性能将变差。高剂量辐照对硅的表面和整体将造成损伤，整体的损伤影响更大。高能强子和核作用，只需15eV就可使硅原子偏离晶格位置，造成格点的空位和错位。晶格对成型的破坏会再禁带内形成一些不希望的

5、能级。这些能级的出现使漏电流增加。观察到体电流密度随粒子流线型增加。，式中V是体积（cm），φ精彩文档实用标准文案是粒子流（粒子/cm），对最小电离的质子和π介子有。探测器的寿命最终由辐照后材料中施主浓度的变化决定。辐照后的基片不管原来是什么类型的，最终逐渐变为P型。随粒子流强的增加，探测器电荷收集变慢且效率下降。但若探测器工作在低温下（低于零摄氏度），加上制造工艺的改进，偏置电压可以较高，这样可以运行在粒子流超过的条件下。一、硅微条探测器的结构和工作原理硅微条探测器是在一个N型硅片的表面，通过氧化和离子注入法、局部扩散法、表面位垒法及光刻等工艺技术制作

6、而成的。从探测器横截面上看，主要分这样几个部分（见图1）：在探测器表面是均匀平行的薄铝条，隔离条，铝条下边是重掺杂的微条。N型硅片的整个地面掺入杂质后，制成N型重掺杂层，其外层也附有一层铝，作为欧姆接触。这样就制成了表面均匀条形的PN结型单边读出的探测器。中间部分的耗尽层是探测器的灵敏区，当在这些条型PN结加上负偏压时，耗尽层在外加电场的作用下随着电压升高而变厚。当电压足够高时，耗尽层几乎扩展到整个N型硅片，基本达到了全耗尽，死层变得非常薄。因为其内部可移动的载流子密度很低，电阻率很高，漏电流非常小（好的硅微条探测器的漏电流应小于100pA）。又因为多晶

7、硅的动态电阻与漏电流成反比，6cm长的微条的动态电阻大约是Ω，所以外加电压击鼓全部加到耗尽区上，形成很高的电场。在无辐射电离时，基本没有信号产生。当有带电粒子穿过探测器的灵敏区时，将产生电子-空穴对。在高电场的作用下，电子向正极（底板）飘逸，空穴向靠近径迹的加负偏压的微条飘逸。因为电子和空穴的迁移率很高，在这很小的区域内（探测器厚度为300μm左右）收集电荷只需很短的时间（～5ns）。在探测器的微条上很快就读出了这个空穴（实为电子）运动产生的电荷信号。硅微条探测器的位置分辨由条间距决定，典型值为20μm～150μm。对条间距为50μm的探测器，其位置分辨

8、达到14.4μm。图1单边读出硅微条探测器结构精彩文档实用标准文案读出电子学得到