CN105244387A - 一种光电导探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光电导探测器，包括半导体和位于半导体两侧的阴极和阳极，所述阴极为平板型阴极，所述阳极为均布有多个通孔的阳极，这些通孔的轴向沿电场的纵向，从而使得探测器内部的电场在横向上趋于均匀化，以及阳极附近的权重场得到加强。本方案在提高探测器能量分辨率的同时不会显著降低探测器的量子效率。
Description
技术领域
本发明涉及探测器，具体是一种光电导探测器。
背景技术
半导体核辐射探测器通常采用金属－半导体－金属(MSM)型光电导探测器，即在高阻半导体的两端制作两个平板接触电极，从而构成通常所说的平板探测器。这种探测器的主要优点是电极结构简单，对光子或粒子的接受角和俘获体积大，俘获效率高。但其缺点是由于电子和空穴输运性能的差异，电子漂移速度快且寿命长，而空穴漂移速度慢且寿命短，因而电子电荷的收集深度远高于空穴电荷的收集深度，从而使靠近阳极附近的空穴收集效率大大下降，使得不同入射深度的光子或粒子电离产生的电荷收集效率存在很大差异，进而使得探测器的能量分辨率不高。
为了提高探测器的能量分辨率，通常采用增强单载流子收集性能的非对称电极结构，即通过电极结构的改变，使得探测器内的电场分布不再是均匀的，而是从阴极到阳极逐渐增强，从而使得阳极附近的电子和空穴电流增大，从而在一定程度上补偿因空穴电荷不能有效收集而产生的电荷损失。
增强单载流子收集性能的电极结构主要有两种，第一种是所谓的弗里希(Frisch)电极结构，即将在阴极和阳极之间增加一个中间电极，并使该电极与阴极等电势，从而使阴极附近的电场减弱，而阳极附近的电场增强；第二种是所谓的共面栅电极结构，即将阳极电极一分为二，并分别施加不同的电压，从而构成收集电极和非收集电极，由于两个电极之间的电压差，收集电极上的输出信号将大于非收集电极，通过差分方法得到的信号主要来自于阳极附近的电荷收集信号，从而极大地增强了单载流子收集性能，并使能量分辨率显著提高。
上述的两种增强单载流子收集性能的电极结构虽然能够提高探测器的能量分辨率，但由于阴极附近相当大的区域电流信号被弱化，因而探测器的整体量子效率会有所降低。而且由于增加了新的电极，电极结构变得更加复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光电导探测器，其在提高探测器能量分辨率的同时不会显著降低探测器的量子效率。
本发明的技术方案如下：
一种光电导探测器，包括半导体和位于半导体两侧的阴极和阳极，所述阴极为平板型阴极，其特征在于：所述阳极为均布有多个通孔的阳极，这些通孔的轴向沿电场的纵向，从而使得探测器内部的电场在横向上趋于均匀化，以及阳极附近的权重场得到加强。
进一步的，所述阳极的外轮廓尺寸小于或等于阴极的外轮廓尺寸，阳极的边沿角部为圆弧倒角。
进一步的，所述阳极上的通孔呈阵列分布。
进一步的，所述阳极上的通孔呈正多边形或圆形。
进一步的，所述阳极为栅格电极。
进一步的，所述阳极上通孔的尺寸和数量使得探测器权重场分布的拐点距阴极的距离等于空穴在探测器中的漂移长度。
本发明提出了一种新的探测器电极结构，即采用平板阴极和栅格阳极的改进型探测器，该电极结构既不改变平板电极结构的简洁性，又能够改善电场分布的横向均匀性，并增强了阳极附近的电场强度，从而增强阳极附近的载流子收集性能，而阴极附近区域的载流子收集性能基本不变，在提高能量分辨率同时又不显著降低探测器的量子效率。
不仅如此，本探测器的漏电流和噪声不会显著增加，探测器的漏电流和噪声实际上能够控制到低于平板型电极的探测器。此外，本探测器相比平板型电极的探测器具有更低的电压噪声，从而使探测器的信噪比进一步提高。
另外，本探测器通过调节阳极的形状(即阳极上通孔的尺寸和数量)、周期和占空比，可以调节权重场分布的梯度，降低了阴极附近的权重场分布，优化阳极附近权重场增强的范围和程度，使探测器权重场分布的拐点距阴极的距离等于空穴在探测器中的漂移长度，最大程度提高靠近阳极区域的载流子收集效率，从而实现更高的能谱分辨，使探测器的能谱分辨率得到进一步提高。
附图说明
图1为本发明一种实施例中探测器的爆炸结构图；
图2为现有技术中采用平板型电极的探测器的电场分布；
图3为本发明的探测器的电场分布；
图4为本发明探测器的阳极的一种具体实施例；
图5为本发明探测器的阳极的一种具体实施例；
图6为本发明探测器的阳极的一种具体实施例；
图7为本发明探测器的阳极的一种具体实施例；
图8为本发明探测器的阳极的一种具体实施例；
图9为本发明探测器的权重场分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
一种光电导探测器，如图1所示，包括半导体1和位于半导体1两侧的两个电极，阴极2为现有技术中的平板型，而阳极3与阴极2不同，其沿探测器电场的纵向均布有多个通孔，使阳极3呈网络状或网孔状的电极板，从而降低阳极3的有效面积，并使电场在阳极3附近得到增强，从而使得探测器内部的电场在横向上趋于均匀化，以及阳极3附近的权重场得到加强。探测器的电场分布如图2和图3所示，图2是现有技术中采用平板型电极的探测器的电场分布，图3为本方案的探测器的电场分布。本案的探测器阳极3为网络状或网孔状的镂空板，使得电场分布与平板型电极的探测器存在很大差别，而这种电场分布的差别是两种探测器性能差异的主要根源。可以看到，无论是电场的横向分布(平行于电极平面)还是纵向分布(沿探测器厚度方向)，两种探测器均存在很大差别。
首先，从电场的横向分布来说，由于存在边缘效应，现有技术中平板型电极的探测器的电场分布并不均匀，总体上呈中间强边缘弱的态势，如图2所示。这种电场分布的不均匀性将导致探测器各个区域的电荷收集效率存在差异，从而导致探测器在电极面积区域的整体能量分辨率降低。而本方案的探测器由于网络状或网孔状的阳极3，使得电极的边缘效应得到均匀分布，从而使得探测器内部电场在横向分布上趋于均匀化。
其次，从电场的纵向分布看，由于电荷分布在电极上，在靠近阳极3的区域，本方案探测器的阳极3的框架区域电场增强，而通孔的区域电场减弱；而在远离阳极3的区域，电场分布类似于平板型电极的探测器，大致为均匀分布，如图3所示。从上述分析可以看出，本案的阳极3结构使探测器内部电场在横向更加均匀，在纵向可形成优化的电场分布，从而在不显著降低探测效率的情况下，有效地提高探测器的能量分辨率。
不仅如此，由于本阳极3只有凹角没有凸角(电极边缘除外)，因而电场的尖端效应得以避免，探测器的漏电流和噪声不会显著增加，考虑到阳极3附近和探测器边缘的电场有所减弱，探测器的漏电流和噪声实际上能够控制到低于平板型电极的探测器。
此外，由于本探测器的阳极3有效面积减小，探测器的等效电容将显著降低，该电容在很大程度上决定了前置放大器的电压噪声增益，因而本探测器相比平板型电极的探测器具有更低的电压噪声，从而使探测器的信噪比进一步提高。
作为一种具体结构形状，阳极3可以为栅格电极，如图1所示，阳极3采用了正交的条形栅格，其中白色区域为通孔，而深色区域为金属框架部分。为了减小边缘效应，阳极3的外轮廓尺寸小于或等于阴极2的外轮廓尺寸，阳极3的边沿角部应倒角，较好地采用圆弧倒角圆弧化。
阳极3可以采用互连的正多边形框架或圆环构成的网格电极，也可以采用均布正多边形网孔或圆孔的网孔电极，甚至是三角形网格的电极等等，如图4至图8所示。图4所示为典型的栅格电极，其通孔是正方形孔，电极的外形为正方形板状，通孔呈阵列分布。图5所示为典型的圆形网孔电极，通孔为圆孔，也呈阵列分布。网孔的形状和尺寸并不影响本方案在原理上的描述及效果，为简单起见，本文均以正交的条形栅格为例进行分析和说明。
不仅如此，通过调节栅格阳极3的形状(即阳极3上通孔的尺寸和数量)、周期和占空比，可以调节权重场分布的梯度，优化阳极3附近权重场增强的范围和程度，使探测器权重场分布的拐点距阴极2的距离等于空穴在探测器中的漂移长度，漂移长度以外的权重场的增强可以补偿空穴的不完全收集，最大程度提高靠近阳极3区域的载流子收集效率，从而实现更高的能谱分辨。
本探测器的权重场分布如图9所示，其中虚线为均匀权重场分布，点划线为平板型电极的探测器的权重场分布，实线为本探测器的权重场分布。可以看到，相对于均匀分布的权重场，平板型电极的探测器的权重场在靠近阴极2和阳极3的地方有小的增强，这种分布有利于降低表面复合作用的影响，并在一定程度上增强载流子的收集效率。但是，由于权重场对称分布，其对电子空穴输运性能相当的半导体1探测器最有利。就实际半导体1探测器而言，电子的输运性能通常优于空穴的输运性能，为了提高电荷收集效率的一致性，必须重点加强阳极3附近的权重场，而本探测器的权重场分布刚好符合这一要求。相对于平板型电极的探测器，本探测器降低了阴极2附近的权重场分布，但增强了阳极3附近的权重场分布，从而增强了阳极3附近的电荷收集效率，使探测器的能谱分辨率得到进一步提高。
本方案的运用实例：采用4mm厚度栅格阳极的CdZnTe探测器，探测Am241的59.5keV伽马射线，能谱分辨可达到或超过5％，而同等条件下，而采用相同电极尺寸的平板型电极的探测器的能谱分辨通常低于5％。与此同时，两者的伽马射线总计数率基本相等。这些结果表明，本栅格阳极的探测器在不降低探测效率的条件下，有效提高了能谱分辨率。
虽然在光电子器件、真空电子器件中，常常用到栅格电极，如太阳能电池的光电极、真空三极管的栅极，但这些栅格电极的使用原理与本方案有显著不同：
(1)在光电器件中，栅格电极往往是为了透光和导电的双重目的而设计，当然也有用作光栅或半透半反膜，其开孔的主要目的是为了透光。
(2)在真空电子器件中，栅格电极往往是为了导电和透射电子的双重目的而设计，主要用作场发射电极、控制电极或加速电极，当然也用作电子散射或等离子激发，其开孔的主要目的是为了电子的发射或透射。
除此之外，还有电池、水或空气净化器、离子渗透膜等装置中也用到栅格电极，其主要作用是进行离子或等离子的分离或分子的筛选，与本专利的原理也有本质差别。
与平板型电极的探测器(平行平板电极)相比，本探测器具有相近的探测效率(量子效率)或计数效率，但有更高的能谱分辨率；与半球形探测器(阴极为近似球面，阳极近似球心)相比，本探测器具有相近的能量分辨率，但具有更高的探测效率和计数效率；与弗里希(Frisch)探测器(探测器侧面有与阴极等电势或不等电势的控制电极)探测器相比，本探测器的电极结构更简单，且平面探测均匀性更高；与共面栅探测器(阳极为一对差分电极，通常为交替排列的指状电极)相比，本探测器的电极结构更简单，电极的尖端效应更小，且避免了表面漏电流；与共面格栅探测器(栅格电极中间嵌有小像素电极)相比，本探测器的电极结构更简单，引线更方便，等效电容和漏电流更小，且权重势的优化更容易。
总之，本探测器在保留平板型电极的探测器的高探测效率的情况下，有效提高了探测器的能量分辨率，从而在整体性能上优于现有的多种探测器。
此外，本探测器由于结构相对简单，电极采用全平面工艺制作，引线相对容易，非常适合制作大面积探测器或者多探测器的集成制作。
Claims (6)
1.一种光电导探测器，包括半导体和位于半导体两侧的阴极和阳极，所述阴极为平板型阴极，其特征在于：所述阳极为均布有多个通孔的阳极，这些通孔的轴向沿电场的纵向，从而使得探测器内部的电场在横向上趋于均匀化，以及阳极附近的权重场得到加强。
2.根据权利要求1所述的一种光电导探测器，其特征在于：所述阳极的外轮廓尺寸小于或等于阴极的外轮廓尺寸，阳极的边沿角部为圆弧倒角。
3.根据权利要求1或2所述的一种光电导探测器，其特征在于：所述阳极上的通孔呈阵列分布。
4.根据权利要求3所述的一种光电导探测器，其特征在于：所述阳极上的通孔呈正多边形或圆形。
5.根据权利要求2所述的一种光电导探测器，其特征在于：所述阳极为栅格电极。
6.根据权利要求1、2、4、5中任一项所述的一种光电导探测器，其特征在于：所述阳极上通孔的尺寸和数量使得探测器权重场分布的拐点距阴极的距离等于空穴在探测器中的漂移长度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20170815 Termination date: 20181123 |