CN103323764A - 一种硅pin半导体探测器漏电流检测仪及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅PIN半导体探测器漏电流检测仪及其检测方法。本发明的漏电流检测仪包括：可调负高压电源模块、探测器偏压测量模块、取样电阻网络及探测器漏电流测量模块；取样电阻网络包括第一、第二和第三电阻R1、R2和R3；R2和R3串联，然后与R1并联；并且设置两组开关，分别测量不同范围的漏电流。本发明对硅PIN半导体探测器的特性进行了针对性设计，具有测量极小漏电流(0.1nA)、大漏电流范围(0.1nA到200μA)、检测击穿电压等功能，另外具有测试环境简单、使用方便、测量准确、成本低廉等特点，非常方便硅PIN半导体探测器的筛选和长期老化测试。

Description

一种硅PIN半导体探测器漏电流检测仪及其检测方法

技术领域

本发明涉及硅PIN半导体探测器漏电流检测，具体涉及一种硅PIN半导体探测器漏电流检测仪及其检测方法。

背景技术

半导体探测器(semiconductor detector)是以半导体材料为探测介质的辐射探测器，具有两个电极，加有一定的偏压。当入射粒子进入半导体探测器的灵敏区时，即产生电子-空穴对。在两极加上电压后，电荷载流子就向两极作漂移运动，收集电极上会感应出电荷，从而在外电路形成信号脉冲。硅PIN半导体探测器是离子注入型的半导体探测器，与传统的锂漂移探测器等相比，硅PIN半导体探测器受环境影响小，适应性高，随时间变化很小，稳定性高，从而在上天及地面的粒子测量中取代了传统的半导体探测器。硅PIN半导体探测器是由P型和N型半导体组成，它们中间掺杂了微量的本征半导体材料，也称耗尽层。在N型半导体中，主要的载流子是电子，而在P型半导体中，主要的载流子是空穴，由于电荷的移动，耗尽层两侧就堆积了电荷，在内部形成一个有N区指向P区的自建电场，阻止了电荷的继续扩散。当有入射粒子进入到PN结的耗尽层，就会使其中的电子吸收能量，跃迁到导带中，形成可以导电的电子空穴对。漏电流是指在没有入射粒子时产生的反向直流电流，是半导体探测器噪声的主要来源，过大的漏电流不但增加了探测器的噪声，而且还缩短了半导体探测器的寿命，因此对半导体探测器漏电流的测量时必不可少的。传统的锂漂移探测器漏电流很大(100nA以上)，而硅PIN半导体探测器的漏电流很小，因此探测测度很大。并且，由于探测器的材料、厚度及面积等的不同，硅PIN半导体探测器的漏电流从小于1nA到数μA有几个数量级的变化，因而现有的测量半导体探测器漏电流的技术无法满足对硅PIN半导体探测器漏电流测量的需要。

发明内容

针对以上现有技术存在的问题，本发明针对硅PIN半导体探测器的特性进行了针对性设计，提出了一种硅PIN半导体探测器漏电流检测仪及其检测方法。

本发明一个的目的在于提供一种硅PIN半导体探测器漏电流检测仪。

本发明的硅PIN半导体探测器漏电流检测仪包括：可调负高压电源模块、探测器偏压测量模块、取样电阻网络及探测器漏电流测量模块；其中，可调负高压电源模块的高压输出端连接硅PIN半导体探测器的正端，另一端接地；硅PIN半导体探测器的负端与取样电阻网络串联；取样电阻网络串联的另一端接地；探测器偏压测量模块并联在硅PIN半导体探测器和取样电阻网络的两端；探测器漏电流测量模块与取样电阻网络并联；取样电阻网络包括第一、第二和第三电阻R1、R2和R3；R2和R3串联，然后与R1并联。

通过调整可调负高压电压模块的输出电压，可以改变施加在探测器上的偏压。当探测器偏压增加到一定程度时，探测器漏电流会出现剧烈增加。当探测器漏电流超过正常工作电流100倍时，可以认定此时探测器偏压测量模块测得的电压为该探测器的击穿电压。

探测器偏压测量模块包括电压表、为其供电的低压电源和偏压电阻。偏压电阻并联在硅PIN半导体探测器和取样电阻网络的两端，电压表并联在偏压电阻的两端。通过测量偏压电阻上的电压，电压表可以直接显示施加在探测器上的偏压。

取样电阻网络为R2和R3串联，然后与R1并联。R1的电阻远远小于硅PIN半导体探测器的内阻；R3的阻值远远大于R2；R2和R3串联的总电阻远远大于R1的阻值，远远大于或远远小于指相差两个数量级以上。本发明的亮点就是将漏电流的检测转变为标准电阻上的微弱电压检测。由于测量弱电流引入的测量误差和干扰要比测量弱电压大得多。因此测量标准电阻上的弱电压比直接在探测器电路中串连电流表测量探测器的漏电流准确，也稳定得多。

进一步，本发明还包括两组开关，探测器漏电流测量模块正端连接取样电阻网络的一端，负端经两组开关连接在取样电阻网络上，第一组开关设置在R3的一端；第二组开关设置在R3的另一端。第一组和第二组开关分别设有1、2和3端三个档位；1端为空置端，两组开关的2端互相连接；两组开关的3端分别连接在第三电阻的两端。开关在不同的档位时，选择的测量漏电流的范围不同：

当两组开关接通3端时，探测器漏电流测量模块并联在第一电阻的两端，从而测量第一电阻两端的电压，通过第一电阻两端的电压，可以得到流过第一电阻的电流，从而得到与第一电阻串联的硅PIN半导体探测器的漏电流，测量漏电流的范围是0.1～200nA；

当两组开关接通2端时，探测器漏电流测量模块并联在第二电阻的两端，由于R2+R3＞＞R1，因此串联的R2和R3并联在第一电阻上，不会影响R1两端的电压，又因为R3＞＞R2，所以第二电阻两端的电压远小于第一电阻两端的电压，因此，在不改变探测器漏电流测量模块的电压表量程的情况下，扩到了探测器漏电流的测量范围，测量漏电流的范围是200nA～200μA；

当两组开关接通1端时，测量漏电流的电压表不接入采样电路，用以测量并显示可调负高压电压模块的输出偏压值，而不显示漏电流数值。

进一步，R1的阻值为1MΩ，R3的阻值远远大于R1；而R3的阻值为R2的10ⁿ倍，n为自然数，且n≥2，这种各个电阻之间精确的比例关系，可以从探测器漏电流测量模块的电压表的显示值直接得到漏电流的值。

由于硅PIN半导体探测器对光、电磁环境敏感，因此，本发明专门设计了探测器检测暗盒，硅PIN半导体探测器放置在探测器检测暗盒中，可以避免光电流对探测器的漏电流的干扰。另外在探测器检测暗盒的材料选用高度绝缘材料，减少其他因素引入的漏电流。因此本发明的检测仪可以保证硅PIN半导体探测器漏电流检测的准确。

进一步，本发明还包括双刀多掷开关。双刀多掷开关的两个刀片触点分别与可调负高压模块的高压输出端和取样电阻网络的一端相连，在每一对引脚中分别串联一个硅PIN半导体探测器，通过改变刀片接入的引脚，就可以方便的检测多个硅PIN半导体探测器的漏电流。

本发明的另一个目的在于提供以一种硅PIN半导体探测器漏电流检测仪的测量方法。

本发明的硅PIN半导体探测器漏电流检测仪的测量方法，包括以下步骤：

1)确定硅PIN半导体探测器的耗尽电压；

2)两组开关接通3端，将可调负高压电压模块的输出电压从小到大逐渐增高，当探测器漏电流超过正常工作电流100倍，可以认定此时探测器偏压测量模块测得的电压为该探测器的击穿电压；

3)两组开关接通1端，将可调负高压电压模块的输出电压设置在耗尽电压和击穿电压之间，使得PIN半导体探测器处于正常工作状态；

4)将两组开关接通2端，读出探测器漏电流测量模块的电压表的电压值，从而得到漏电流值，如果探测器漏电流测量模块的电压表的输出值很小，则改换到3端，读出探测器漏电流测量模块的电压表的电压值，从而得到漏电流值。

其中，在步骤2)中，按经验估计探测器正常工作时的漏电流，然后需要将开关设定为正常档位即3端，0.1nA～200nA档，调节偏压，漏电流开始会基本不变或缓慢增加(线形增加)，当偏压增加到某个电压值后，漏电流会剧烈增加(按指数增加，表明马上要进入雪崩击穿状态)，此时这个偏压就可以认为是击穿电压。不同规格的探测器，其将要击穿时的漏电流也是不同的。

本发明的有益效果：

本发明对硅PIN半导体探测器的特性进行了针对性设计，具有测量极小漏电流(0.1nA)、大漏电流范围(0.1nA到200μA)、检测击穿电压等功能，另外具有测试环境简单、使用方便、测量准确、成本低廉等特点，非常方便硅PIN半导体探测器的筛选和长期老化测试。与传统的检测仪相比，本发明的最大特点是：一、可以精确测量0.1nA量级的微弱电流；二、可以精确测量的漏电流的范围大：0.1nA～200μA；三、可以调节探测器外加偏压：0V～-1500V；四、可以确定探测器的击穿电压。

附图说明

图1为本发明的硅PIN半导体探测器漏电流检测仪的结构示意图；

图2为本发明的硅PIN半导体探测器漏电流检测仪的两组开关接通低端的取样电阻网络的等效电路图；

图3为本发明的硅PIN半导体探测器漏电流检测仪的两组开关接通高端的取样电阻网络的等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本实施例的硅PIN半导体探测器漏电流检测仪包括：可调负高压电源模块10、探测器偏压测量模块20、取样电阻网络30、探测器漏电流测量模块40及探测器检测暗盒50。可调负高压电源模块10的另一端经串联的保护电阻R_P连接硅PIN半导体探测器的正端。

可调负高压电压模块10包括低电压电源12和高压电源11，低电压电源12将220V交流高压电转换为直流低电压为高压电源11提供12V的直流电压。高压电源11为一个可调DC/DC电源，可以提供0～-1500V负高压输出，作为硅PIN探测器的偏压电源。

探测器偏压测量模块20包括4为数字的电压表21、低压电源22和偏压电阻R_V，低压电源22将220V交流高压电转换为直流低电压为电压表21提供5V的直流电压。偏压电阻R_V并联在硅PIN半导体探测器和取样电阻网络的两端，电压表21的两端Vin+和Vin-并联在偏压电阻的两端。由于硅PIN探测器的电阻率很高，可以超过10⁹Ω，比与其串连的保护电阻R_P和取样电阻网络30大两个量级，因此，可调负高压模块10的输出电压可以看作施加在探测器上的偏压。通过测量偏压电阻R_V上的电压，电压表21可以直接显示施加在探测器上的偏压。

取样电阻网络30为R2和R3串联，然后与R1并联。第一组开关K_a设置R3的一端；第二组开关K_b设置在R3的另一端。R1的电阻远远小于硅PIN半导体探测器的内阻，R1为1MΩ；R3的阻值为R2的一千倍。分别在R1和R2的两端并联电容，以稳定电路。

探测器漏电流测量模块40包括一个高精度4位半数字的电压表41和为其供电的低压电源42。低压电源42将220V交流高压电转换为直流低电压为电压表41提供5V的直流电压。高精度4位半数字的电压表41的正端Vin+连接取样电阻网络30的一端，负端Vin-经第一组开关K_a和第二组开关K_b连接取样电阻网络30的另一端，可以精确测量0.1mV的电压。R1为1MΩ精密电阻。由于数字电压表的内阻比1MΩ电阻大1个量级以上，因此本发明可以准确且稳定地测量1MΩ电阻两端0.1mV的电压，进而可以准确测量流过标准电阻的电流(即探测器的漏电流)为0.1nA。

第一组开关K_a和第二组开关Kb分别设有1、2和3端三个档位；1端为空置端，两组开关的2端互相连接；两组开关的3端分别连接在第三电阻的两端。开关在不同的档位时，选择的测量漏电流的范围不同：

当两组开关接通3端时，等效电路如图2所示，探测器漏电流测量模块40并联在R1的两端，从而测量R1两端的电压，通过R1两端的电压，可以得到流过R1的电流，从而得到与R1串联的硅PIN半导体探测器的漏电流，由于R1的电阻为1MΩ，因此电压表41显示的mV数与漏电流的nA数相对应，即如果电压表41显示0.5mV，则可以得到探测器的漏电流为0.5nA，测量漏电流的范围是0.1～200nA；

当两组开关接通2端时，等效电路如图3所示，探测器漏电流测量模块并联在R2的两端，由于R2+R3＞＞R1，因此串联的R2和R3并联在R1上，不会影响R1两端的电压，又因为R3＞＞R2，所以R2两端的电压远小于R1两端的电压，并且R2为R3的千分之一，从而电压表41显示的mV数为漏电流的μA数，即如果电压表显示5mV，则探测器的漏电流为5μA，测量漏电流的范围是200nA～200μA，因此，在不改变探测器漏电流测量模块的电压表量程的情况下，扩到了探测器漏电流的测量范围；

当两组开关接通1端时，测量漏电流的电压表不接入采样电路，用以测量并显示可调负高压电压模块的输出偏压值，而不显示漏电流数值。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种硅PIN半导体探测器漏电流检测仪，其特征在于，所述硅PIN半导体探测器漏电流检测仪包括：可调负高压电源模块(10)、探测器偏压测量模块(20)、取样电阻网络(30)及探测器漏电流测量模块(40)；其中，所述可调负高压电源模块(10)的高压输出端连接硅PIN半导体探测器的正端，另一端接地；硅PIN半导体探测器的负端与取样电阻网络(30)串联；所述取样电阻网络串联的另一端接地；所述探测器偏压测量模块(20)并联在硅PIN半导体探测器和取样电阻网络的两端；所述探测器漏电流测量模块(40)与取样电阻网络(30)并联；所述取样电阻网络(30)包括第一、第二和第三电阻R1、R2和R3；R2和R3串联，然后与R1并联。

2.如权利要求1所述的硅PIN半导体探测器漏电流检测仪，其特征在于，所述第一电阻R1的电阻远远小于硅PIN半导体探测器的内阻；R3的阻值远远大于R2；R2和R3串联的总电阻远远大于R1的阻值。

3.如权利要求1所述的硅PIN半导体探测器漏电流检测仪，其特征在于，进一步包括两组开关(K_a和K_b)，探测器漏电流测量模块正端连接取样电阻网络的一端，负端经两组开关连接在取样电阻网络上，第一组开关K_a设置在R3的一端；第二组开关K_b设置在R3的另一端。

4.如权利要求3所述的硅PIN半导体探测器漏电流检测仪，其特征在于，所述第一组和第二组开关(K_a和K_b)分别设有1、2和3端三个档位；1端为空置端，两组开关的2端互相连接；两组开关的3端分别连接在第三电阻的两端，开关在不同的档位时，选择的测量漏电流的范围不同：

当两组开关接通3端时，探测器漏电流测量模块并联在第一电阻的两端，测量漏电流的范围是0.1～200nA；

当两组开关接通2端时，探测器漏电流测量模块并联在第二电阻的两端，测量漏电流的范围是200nA～200μA；

当两组开关接通1端时，测量漏电流的电压表不接入采样电路，不显示漏电流数值。

5.如权利要求1所述的硅PIN半导体探测器漏电流检测仪，其特征在于，进一步包括探测器检测暗盒(50)，所述硅PIN半导体探测器放置在探测器检测暗盒(50)中。

6.如权利要求1所述的硅PIN半导体探测器漏电流检测仪，其特征在于，进一步包括双刀多掷开关，双刀多掷开关的两个刀片触点分别与可调负高压模块的高压输出端和取样电阻网络的一端相连，在每一对引脚中分别串联一个硅PIN半导体探测器。

7.如权利要求2所述的硅PIN半导体探测器漏电流检测仪，其特征在于，所述R1的阻值为1MΩ，R3的阻值远远大于R1；而R3的阻值为R2的10ⁿ倍，n为自然数，且n≥2。

8.如权利要求1所述的硅PIN半导体探测器漏电流检测仪，其特征在于，所述探测器偏压测量模块(20)包括电压表(21)、低压电源(22)和偏压电阻R_V，低压电源(22)将220V交流高压电转换为直流低电压为电压表(21)提供直流电压。

9.如权利要求8所述的硅PIN半导体探测器漏电流检测仪，其特征在于，所述探测器漏电流测量模块(40)包括电压表(41)和为其供电的低压电源(42)。

10.一种硅PIN半导体探测器漏电流检测仪的测量方法，其特征在于，测量方法，包括以下步骤：

1)确定硅PIN半导体探测器的耗尽电压；

2)两组开关接通3端，将可调负高压电压模块的输出电压从小到大逐渐增高，当探测器漏电流超过正常工作电流100倍，可以认定此时探测器偏压测量模块测得的电压为该探测器的击穿电压；

3)两组开关接通1端，，将可调负高压电压模块的输出电压设置在耗尽电压和击穿电压之间，使得PIN半导体探测器处于正常工作状态；

4)将两组开关接通2端，读出探测器漏电流测量模块的电压表的电压值，从而得到漏电流值，如果探测器漏电流测量模块的电压表的输出值很小，则改换到3端，读出探测器漏电流测量模块的电压表的电压值，从而得到漏电流值。

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