三種新型半導(dǎo)體探測器的應(yīng)用進展研究

摘要：介紹了3種常見的新型半導(dǎo)體探測器，即硅微條探測器、電制冷半導(dǎo)體探測器和微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中子探測器，對這3種探測器的工作原理及應(yīng)用優(yōu)勢等進行了分析。

關(guān)鍵詞：硅微條探測器;電制冷半導(dǎo)體;微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中子探測器

0 引言

近年來核工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展迅速，各類核探測器，如半導(dǎo)體探測器、氣體探測器、閃爍探測器等研究也取得了新進展[1]。其中，以半導(dǎo)體為介質(zhì)的探測器相比其他類型探測器具有明顯的優(yōu)勢。市場上常見的半導(dǎo)體探測器主要采用鍺和硅等半導(dǎo)體作為介質(zhì)，半導(dǎo)體探測器的工作原理類似于氣體電離室，因此又被稱為固體電離室。目前，硅微條、硅漂移以及CCD等新型半導(dǎo)體探測器已經(jīng)在高能物理等領(lǐng)域展現(xiàn)出了極高的應(yīng)用價值[2]。

正常來講，半導(dǎo)體探測器在能量分辨率方面要遠勝于氣體和閃爍探測器，這一特性是由其特殊結(jié)構(gòu)決定的。半導(dǎo)體探測器一共有兩個電極，粒子進入敏感區(qū)域時，會有電子-空穴對形成[3]。當(dāng)在兩個電極施加偏壓后，電子就會向兩極漂移，收集電極上就會感應(yīng)到電荷，進而在外電路中產(chǎn)生脈沖信號[4]。有研究顯示，半導(dǎo)體探測器中產(chǎn)生電子-空穴對所需的平均能量僅為傳統(tǒng)氣體電離探測器的1/10，因此其能量分辨率也更高。除此之外，新型半導(dǎo)體探測器還具備體積小、響應(yīng)時間短、位置分辨率高等特點，使得新型半導(dǎo)體探測器在高能物理等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[5]。

1 硅微條探測器研究進展

硅微條探測器誕生于20世紀(jì)80年代，硅微條最小可以達到20～100 μm。硅微條探測器不僅具備較高的能量分辨率和位置分辨率，還有較寬的能量線性范圍，響應(yīng)時間較短。隨著微電子工藝的不斷發(fā)展，微電子器件尺寸已經(jīng)逐步發(fā)展到納米級別，硅微條也被做得更小，甚至可以被集成到電子器件中。目前許多國家已經(jīng)將硅微條探測器應(yīng)用于徑跡測量，以替代傳統(tǒng)的漂移室[6]。

硅微條探測器根據(jù)讀出的信號差別，可將其分為單邊和雙邊讀出的硅微條，這兩種硅微條都是基于P-N結(jié)研制而成。有學(xué)者通過DUT實驗測出硅微條探測器空間分辨率為1.4 μm，隨后其他的研究應(yīng)用微條間隙為25 μm的硅微條探測器，測得其空間分辨率為1.25 μm[7]。在國內(nèi)外研究基礎(chǔ)上，我國物理學(xué)家研制出了AC耦合硅微條探測器，該探測器相比DC耦合硅微條探測器具有更高的空間和能量分辨率，能量線性范圍也更寬，且響應(yīng)時間更短，抗輻射性能也更好[8]。因此，綜合看來AC耦合硅微條探測器具有十分廣闊的應(yīng)用前景。硅微條探測器如圖1所示。

2 電制冷半導(dǎo)體探測器研究進展

電制冷半導(dǎo)體探測器的特點在于其制冷方式，不同于傳統(tǒng)壓縮氣體制冷以及磁制冷等方法，它采用的是最新的熱電制冷方式。熱電制冷的原理是利用兩塊半導(dǎo)體（N型和P型各一塊）組成電偶回路，接通電源有電流通過時，電偶會發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，即產(chǎn)生吸熱或放熱反應(yīng)，達到制冷或制熱的目的[9]。將多個電偶元件采用串聯(lián)的方式連接起來，就會產(chǎn)生不錯的制冷或制熱效果。有學(xué)者對比了電制冷探測器和液氮探測器的優(yōu)缺點，結(jié)果顯示，電制冷探測器探測效率更高，響應(yīng)時間也更短，同時能夠很好地克服傳統(tǒng)探測器在低溫條件下無法正常使用和保存的缺點，使其應(yīng)用范圍更加廣闊。據(jù)相關(guān)研究表明，電制冷探測器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于火星成分及海底成分探測等領(lǐng)域中[10]。電制冷半導(dǎo)體探測器如圖2所示。

3 微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中子探測器研究進展

微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中子探測器最早是由國外學(xué)者于1987年提出的，這一概念的提出開辟了半導(dǎo)體探測器的應(yīng)用新領(lǐng)域，這一年全球核電子學(xué)得到了飛速發(fā)展，微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中子探測器展現(xiàn)出了極高的應(yīng)用價值。微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中子探測器的原理是通過次級帶電粒子累積能量形成電子-空穴對實現(xiàn)中子探測。有學(xué)者于2001年采用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)制造出了新型微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體探測器，與傳統(tǒng)半導(dǎo)體探測器相比，其探測效率明顯提高[11]。此后又有學(xué)者對目前市售半導(dǎo)體中子探測器進行了模擬實驗，結(jié)果顯示，若在特定結(jié)構(gòu)頂部區(qū)域反應(yīng)時即可探測出兩種中子，這也表明這類特定結(jié)構(gòu)應(yīng)用于半導(dǎo)體中子探測器是可行的。有學(xué)者對3種不同構(gòu)型，即柱狀、溝槽狀以及孔狀結(jié)構(gòu)的中子探測器進行了模擬實驗研究，結(jié)果顯示，孔狀結(jié)構(gòu)的中子探測器穩(wěn)定性最好[12]。目前越來越多的研究集中于提高探測器的探測效率，這也是實現(xiàn)半導(dǎo)體探測器產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中子探測器如圖3所示。

4 結(jié)語

半導(dǎo)體探測器在核物理、高能物理以及半導(dǎo)體物理等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。隨著微電子工藝的飛速發(fā)展，各類新型半導(dǎo)體探測器不斷被研制出來，滿足了各類物理實驗不斷增加的探測需求。本文主要介紹了3種常見的新型半導(dǎo)體探測器，即硅微條探測器、電制冷半導(dǎo)體探測器和微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中子探測器，從目前的研究進展來看，相比傳統(tǒng)探測器，新型半導(dǎo)體探測器具有明顯的優(yōu)勢，應(yīng)用前景十分廣闊。

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收稿日期：2020-04-01

作者簡介：劉年?。?998—），男，湖北荊州人，研究方向：核工程與核技術(shù)。