幾種新型半導(dǎo)體探測(cè)器及應(yīng)用

韓雪　劉斯禹　郭天超　高瑜　郭天飛

摘 要：最近幾年，新型半導(dǎo)體探測(cè)器如電致冷半導(dǎo)體探測(cè)器、硅微條、微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中子探測(cè)器等在核物理領(lǐng)域發(fā)展很快，應(yīng)用范圍很廣。該文介紹了電致冷半導(dǎo)體探測(cè)器、硅微條、微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中子探測(cè)器等新型半導(dǎo)體探測(cè)器的結(jié)構(gòu)、原理及優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)要闡述了其發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景，還舉例說明了這幾種新型半導(dǎo)體探測(cè)器在核醫(yī)學(xué)、高能物理等領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體探測(cè)器 中子探測(cè)器 硅微條 電制冷

中圖分類號(hào)：TL814 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）07（c）-0142-02

隨著高能物理、核醫(yī)學(xué)等核事業(yè)的不斷發(fā)展，氣體探測(cè)器、閃爍探測(cè)器、半導(dǎo)體探測(cè)器等核探測(cè)器和探測(cè)技術(shù)也有了嶄新的進(jìn)展。以半導(dǎo)體材料為探測(cè)介質(zhì)的輻射探測(cè)器半導(dǎo)體探測(cè)器也有很大發(fā)展。最通用的半導(dǎo)體材料是鍺和硅半導(dǎo)體探測(cè)器，其基本原理與氣體電離室相類似，故又稱固體電離室。在此基礎(chǔ)上研究出的新型半導(dǎo)體探測(cè)器如硅微條、Pixel、CCD、硅漂移室等已被廣泛應(yīng)用到除高能物理、天體物理領(lǐng)域以外的核醫(yī)學(xué)、光學(xué)成像、軍事等領(lǐng)域。半導(dǎo)體探測(cè)器已被世界各大實(shí)驗(yàn)室廣泛應(yīng)用。

一般來說，半導(dǎo)體探測(cè)器比氣體探測(cè)器和閃爍計(jì)數(shù)器的能量分辨率強(qiáng)很多，這是其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致的，半導(dǎo)體探測(cè)器有兩個(gè)電極，當(dāng)入射粒子進(jìn)入半導(dǎo)體探測(cè)器的靈敏區(qū)域時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。在探測(cè)器兩極加上一定的偏壓后，電子就向兩極作漂移運(yùn)動(dòng)，收集電極上會(huì)感應(yīng)出電荷，從而在外電路形成信號(hào)脈沖。而且，在半導(dǎo)體探測(cè)器中，入射粒子產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)所消耗的平均能量為氣體電離室產(chǎn)生一個(gè)離子對(duì)所消耗的1/10左右，因此，半導(dǎo)體探測(cè)器的能量分辨率較氣體電離探測(cè)器強(qiáng)很多。除能量分辨率強(qiáng)之外，新型半導(dǎo)體探測(cè)器還有很多優(yōu)點(diǎn)，如：位置分辨率強(qiáng)、響應(yīng)時(shí)間快、體積小等特點(diǎn)，也正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，將為國際新型高效率探測(cè)器的廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 硅微條探測(cè)器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

在20世紀(jì)80年代，隨著微電子工藝能力的提高和核物理實(shí)驗(yàn)的要求，探測(cè)條可以做的非常?。?0～100μm），即硅微條探測(cè)器[1]。硅微條探測(cè)器除了有很高的能量分辨率外，還有很高的位置分辨率、很寬的能量線性范圍、較快的時(shí)間響應(yīng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。隨著微電子的工藝趨向納米量級(jí)，硅微條被制作成集成電子器件，如圖1所示?，F(xiàn)如今，世界各國也逐步采用了硅微條探測(cè)器代替漂移室作為徑跡測(cè)量的徑跡室。

硅微條半導(dǎo)體探測(cè)器可根據(jù)其讀出信號(hào)分布不同，分為單邊讀出和雙邊讀出硅微條，都是利用p-n結(jié)的一些特征研制成的。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹，1994年，Peter Weilhammer等[4]在DUT的實(shí)驗(yàn)中，測(cè)得硅微條探測(cè)器的空間分辨率達(dá)到了1.4μm。隨即，Straver等[5]采用25μm微條間隙的硅微條探測(cè)器，粒子入射方向垂直于探測(cè)器表面，得到的空間分辨率為1.25μm.在此基礎(chǔ)上，中國科學(xué)院近代物理研究所楊磊等[2]進(jìn)行了AC耦合硅微條探測(cè)器的研制實(shí)驗(yàn)，證明了硅微條探測(cè)器有很高的能量分辨率和位置分辨率、很寬的能量線性范圍、較快的時(shí)間響應(yīng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，還說明了AC耦合硅微條探測(cè)器比DC耦合有明顯的優(yōu)越性，抗輻射性能好。可見，從目前形勢(shì)來看，AC耦合硅微條探測(cè)器的具有產(chǎn)業(yè)化特點(diǎn)已相當(dāng)明確。

2 電致冷半導(dǎo)體探測(cè)器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

電制冷半導(dǎo)體探測(cè)器采用不同于傳統(tǒng)的氣體壓縮膨脹致冷、磁致冷等制冷原理，而是采用熱電制冷的方法。其制冷原理是利用在一塊N型半導(dǎo)體和一塊P型半導(dǎo)體結(jié)成電耦回路上街上直流電源，當(dāng)電流流過時(shí)電偶發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，而發(fā)生放熱或吸熱現(xiàn)象，產(chǎn)生制冷或制熱。將這些電偶元件串聯(lián)起來達(dá)到單機(jī)制冷器件的級(jí)聯(lián)就具有了良好的制冷效果。美國采用磁制冷效果研發(fā)了電制冷半導(dǎo)體探測(cè)器XR-100CR，如圖1所示。該探測(cè)器已經(jīng)成功應(yīng)用于火星巖石和土壤進(jìn)行了成分分析以及海底X射線熒光探測(cè)系統(tǒng)中，可對(duì)海底沉積物成分進(jìn)行分析，是一種有效可行的分子技術(shù)[6]。

呂軍等[7]在文獻(xiàn)中將電制冷半導(dǎo)體探測(cè)器與液氮探測(cè)器相比較，發(fā)現(xiàn)采用電制冷探測(cè)器不僅探測(cè)效率相對(duì)較高，響應(yīng)時(shí)間短之外，可以避免低溫下保存和使用的不便之處，極大地?cái)U(kuò)展了它的應(yīng)用領(lǐng)域。電制冷半導(dǎo)體探測(cè)器是比較適合野外作業(yè)的便攜式探測(cè)器。

3 微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中子探測(cè)器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

核電子學(xué)的蓬勃發(fā)展到1987年時(shí)，Muminov等首次提出了微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中子探測(cè)器的概念，從此開辟了將微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體應(yīng)用于中子探測(cè)的新領(lǐng)域。如：中子注量率精確測(cè)量、中子輻射探測(cè)、中子散射測(cè)量、中子個(gè)人劑量監(jiān)測(cè)等，為結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中子探測(cè)器都發(fā)揮著重要作用。

半導(dǎo)體中子探測(cè)器是利用次級(jí)帶電粒子在半導(dǎo)體中沉積能量而產(chǎn)生的電子空穴對(duì)來對(duì)中子進(jìn)行探測(cè)的。基于這種探測(cè)方法，2001年McGregor等[8]用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)做出的器件的熱中子探測(cè)效率較普通半導(dǎo)體中子探測(cè)器有了適當(dāng)提高。J.Uher等[9]后來對(duì)市場(chǎng)上已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的幾種半導(dǎo)體中子探測(cè)器進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)當(dāng)反應(yīng)發(fā)生在倒金字塔結(jié)構(gòu)頂部區(qū)域時(shí)就能夠同時(shí)探測(cè)兩種反應(yīng)物的中子，從而說明了倒金字塔型（如圖1所示）這種三維結(jié)構(gòu)作為半導(dǎo)體中子探測(cè)器的可行性和有效性。2013年，D.S.McGregor等[10]又研究出了三種新型半導(dǎo)體中子探測(cè)器構(gòu)型，分別是孔型、溝槽型和柱型，并一一甄別了其性能和優(yōu)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)孔型結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性最好。目前，改善提高微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中子探測(cè)器的探測(cè)效率是實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵。

4 結(jié)語

無論是在高能物理，還是半導(dǎo)體物理，亦或是與核物理相關(guān)的其他領(lǐng)域，半導(dǎo)體探測(cè)器都有著不可或缺的作用。隨著物理學(xué)科的不斷進(jìn)步，對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的要求也越來越高，更高精度的探測(cè)器將層出不窮，先進(jìn)的探測(cè)技術(shù)在未來的核醫(yī)學(xué)影像、安全檢測(cè)、核技術(shù)應(yīng)用等領(lǐng)域中一定會(huì)有更美好前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 孟祥承.新型半導(dǎo)體探測(cè)器發(fā)展和應(yīng)用[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2004，24（1）：87-96.

[2] 楊磊.AC耦合硅微條探測(cè)器的研制[D].中國科學(xué)院研究生院（近代物理研究所），2014.

[3] Uher J， Fr jdh C，Jak bek J， et al.Characterization of 3D thermal neutron semiconductor detectors[J].Nuclear Instruments & Methods in Physics Research，2007，576（1）：32-37.

[4] Weilhammer P.Overview：silicon vertex detectors and trackers[J].Nuclear Instruments & Methods in Physics Research，2000，453（1）：60-70.

[5] Straver J，Toker O，Weilhammer P，et al.One micron spatial resolution with silicon strip detectors[J].Nuclear Instruments & Methods in Physics Research，1994，348（2）：485-490.

[6] 曹利國.核地球物理勘查方法[M].原子能出版社，1991.

[7] 呂軍，侯新生.新型電致冷半導(dǎo)體探測(cè)器的應(yīng)用[J].物探與化探，2006，30（4）：374-376.

[8] Muminov R A，et al.High-Efficiency Semiconductor Thermal-Neutron Detectors[J].Soviet Atomic Energy，1987，62（4）：316-319.

[9] Uher J，F(xiàn)r jdh C， Jak bek J，et al.Characterization of 3D thermal neutron semiconductor detectors[J].Nuclear Instruments & Methods in Physics Research，2007，576（1）：32-37.

[10] McGregor D S，et al.Present status of micro-struc-tured semiconductor neutron detector[J].Journal of Crystal Growth，2013，379：99-110.