CN108920758A - 大面积同心圆状圆柱形双面硅漂移探测器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于深空探测技术领域，公开了一种大面积同心圆状圆柱形双面硅漂移探测器及其设计方法，大面积同心圆状圆柱形双面硅漂移探测器设计方法包括以下步骤：确定硅漂移探测器前后表面的电势；拟采用数学变分法计算载流子在硅漂移探测器中漂移时从点S1到点S2的最佳漂移路径；确定最佳漂移路径的常数漂移电场。本发明通过对SDD载流子漂移行为规律与重掺杂电极生长的分析，从新结构、新型工艺集成设计与光的粒子性理论计算方法入手，设计具有双面相关的既保持均匀电子漂移电场又提供平滑漂移轨迹的双面电极，建立强度在0.5～15keV软X射线粒子的高能量分辨率、高效收集SDD的创新设计制作方式。

Description

大面积同心圆状圆柱形双面硅漂移探测器及其设计方法

技术领域

本发明属于深空探测技术领域，尤其涉及一种大面积同心圆状圆柱形双面硅漂移探测器及其设计方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：

X射线脉冲星是大质量恒星演化、坍缩、超新星爆发的遗迹，具有极其稳定的自转周期(稳定度优于10-19s/s)，被誉为自然界最精准的天文时钟，能够为近地空间、深空探测和星际飞行航天器提供位置、速度、时间和姿态等高精度导航信息，基于脉冲星的导航是永不可被摧毁的新型导航体制。与GPS、北斗导航方式相比，新体制脉冲星导航技术在近地面及深空自主导航应用方面有着不可比拟的优势。但脉冲星X射线辐射流量非常低(10-5ph/s/cm2)，探测难度大，因此X射线探测器是组成脉冲星导航系统的核心部件。国际上X射线探测器的研究，朝着具有低功耗、高能量分辨率的硅漂移室探测器(Silicon DriftDetector，SDD)技术方向发展，以满足X射线脉冲星自主导航授时系统高性能、大区域覆盖、高可用性的重大技术需求。目前国际上的SDD面积小且价格昂贵，而国内尚无成熟技术。

综上所述，现有技术存在的问题是：

国际上硅漂移探测器的典型面积为50mm²左右，价格为10万元左右。因为探测器设计的科学问题及物理问题复杂繁琐，目前世界上顶尖的SDD生产厂家，如KETEK和AMTEK公司，依然没有攻克大面积单元SDD的设计和制备技术，目前国内的SDD研究也依然停留在小单元面积的阶段，在研的高校研究所以及企业均高度依赖进口。一旦大面积SDD单元的设计与制作技术瓶颈攻破，对于中国探测器的发展，以及应用探测器的各领域均会起到重要作用。

解决上述技术问题的难度和意义：

由于国外的技术封锁，且国内基础研究的缺失，目前国内尚无大面积SDD及其阵列的设计制作等研发技术。针对脉冲星X射线探测及导航系统大数据库建立问题，急需加快开展我国应用于X射线脉冲星自主导航授时系统的高能量分辨率SDD关键技术攻关与试验验证，开展超纯高阻硅材料硅漂移探测器(Silicon Drift Detector,SDD)载流子漂移行为规律，重掺杂电极生长规律，大型SDD阵列物理结构承载机理，电子学读出系统中光电磁热传输和耦合机理，复杂太空辐射环境的背景噪音特性，探测器地面试验验证平台构建原理等，抢占科技战略制高点，实现探测器技术的跨越式发展，对于突破国内脉冲星自主定位导航授时系统的技术瓶颈具有极其重要的意义。

本发明通过对SDD载流子漂移行为规律与重掺杂电极生长的分析，从新结构、新型工艺集成设计与光的粒子性理论计算方法入手，设计具有双面相关的既保持均匀电子漂移电场又提供平滑漂移轨迹的双面电极，建立强度在0.5～15keV软X射线粒子的高能量分辨率、高效收集SDD的创新设计制作方式。该探测器克服国际上探测器面积小的缺点，在单元面积大(314mm²至2827mm²)的基础上，进一步提高能量分辨率，减少耗能，减少噪音等。对于脉冲星探测所需的平米级的探测器阵列而言，大面积探测器单元减少了阵列形成所需的探测器个数，减少阵列拼接时的物理机械受力等难度，进一步节约成本，为航天航空以及深空探测的发展提供了前言技术支撑。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种大面积同心圆状圆柱形双面硅漂移探测器及其设计方法，攻克国际上SDD单元面积小，拼接阵列成本高的问题，同时实现软X射线的高能量分辨率2.0％@5.9keV的超越。

本发明是这样实现的，一种大面积同心圆状圆柱形双面硅漂移探测器的设计方法，包括以下步骤：

(1)确定硅漂移探测器前后表面的电势：

圆柱形双面硅漂移探测器的内部漂移电场与探测器的上下两个表面电势分布有关，圆柱形双面硅漂移探测器内部的任何一点(r,x,θ)的负电势应满足以下条件：

and

其中，x为探测器厚度方向的坐标，r为沿着圆柱形半径方向的坐标，θ为角坐标，这样泊松方程可以简化为以下形式：

其中N_eff是SDD的有效掺杂浓度，方程(2)的解即为：

其中，V_fd＝qN_Dd²/2ε₀ε为全耗尽电压，d是SDD的厚度，Φ(r)和Ψ(r)分别是前后表面的电势(x＝0和x＝d)：

Φ(r)＝φ(r,x＝0)andΨ(r)＝φ(r,x＝d)。

(2)拟采用数学变分法计算载流子在硅漂移探测器中漂移时从点S₁到点S₂的最佳漂移路径(如图2所示)：

假定反面的电压分布与正面的电压分布是成正比的，有：

Ψ(r)＝V_B+γΦ(r)(0≤γ＜1) (5)

进而可得到最佳的漂移路径；

(3)确定最佳漂移路径的常数漂移电场：满足沿着最佳漂移路径上的电场为一常数，即E_dr,r(r,x_ch(r))＝E_dr,r，而得到的常数漂移电场的表面电势分布须由如下方程确定：

其对应的表面电场分布为：

V_fd为全耗尽电压，分析可知，常数漂移电场完全由所加的电压决定：

进一步，大面积同心圆状圆柱形双面硅漂移探测器中γ>0。

进一步，漂移轨道的电势分布呈线性(即电场为一常数)，而前表面的电势分布是非线性的，特别是靠近外环电极时。

本发明的另一目的在于提供一种大面积同心圆状圆柱形双面硅漂移探测器。如图中标示，1是正面阳极电极，为重掺杂的N型半导体硅；2为正面阴极电极，为重掺杂的P型半导体硅，其形状为圆形的同心圆状；3为正面阴极电极第一环；4是正面阴极电极最外环；5是硅体，为轻掺杂的N型半导体硅；6是反面的阴极电极，为重掺杂的P型半导体硅，其形状为圆形的同心圆状，本示意图中没有标注保护环，一般保护环为最外环的重掺杂P型半导体硅。在硅体的一面制作阳极以及阴极电极，称为正面。在硅体的另一面制作阴极电极，没有阳极电极的一面称为反面。正面阴极电极和反面阴极电极均为圆形的同心圆状。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明通过对SDD载流子漂移行为规律与重掺杂电极生长的分析，从新结构、新型工艺集成设计与光的粒子性理论计算方法入手，设计具有双面相关的既保持均匀电子漂移电场又提供平滑漂移轨迹的双面电极，建立强度在0.5～15keV软X射线粒子的高能量分辨率、高效收集SDD的创新设计制作方式。

该探测器克服国际上探测器面积小的缺点，在单元面积大(314mm²至2827mm²)的基础上，进一步提高能量分辨率，减少耗能，减少噪音等。对于脉冲星探测所需的平米级的探测器阵列而言，大面积探测器单元减少了阵列形成所需的探测器个数，减少阵列拼接时的物理机械受力等难度，进一步节约成本，为航天航空以及深空探测的发展提供了前言技术支撑。

下表为本发明的指标与国际上先进的SDD技术指标的对比，对比的是德国KETEK公司的SDD最新产品指标，如表1所示。

表1：本发明与国际先进SDD技术的指标对比

附图说明

图1是本发明实施例提供的线性形状SDD的结构和基本工作原理示意图；

图2是本发明实施例提供的一种大面积同心圆状圆柱形双面硅漂移探测器结构示意图；

图3是本发明实施例提供的载流子在SDD中漂移的可能及最佳路径分析曲线图；

图4是本发明实施例提供的圆柱形SDD的电势分布图。

图5是本发明实施例提供的圆柱形SDD的电势仿真分布图以及漂移通道示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1展示了线性形状的SDD结构和基本工作原理。SDD的收集电极是一个面积可以比SDD小很多的阳极(n+Anode，N型硅片作为衬底)。在SDD两面的阴极(p+)分别加上适当的电压梯度，使得SDD既可以被全耗尽又在SDD的硅片中间提供了一个漂移电场。此电场可以使光子(如X射线等)在SDD中产生的电子横向漂移到收集阳极，如图1箭头所示。

SDD的输入电容只与收集阳极的面积有关，而与SDD有效的收集面积无关，所以即使大面积的SDD也可以有很小的输入电容，从而极大地减小了探测器的噪声(ENC，方程(1))，可使探测器的能量分辨率得到大幅提高。然而为了进一步地提高SDD的能量分辨率，一般用于能谱分析的SDD被设计成圆柱形状，如图2所示。其中，1是正面阳极电极，为重掺杂的N型半导体硅；2为正面阴极电极，为重掺杂的P型半导体硅，其形状为圆形的同心圆状；3为正面阴极电极第一环；4是正面阴极电极最外环；5是硅体，为轻掺杂的N型半导体硅；6是反面的阴极电极，为重掺杂的P型半导体硅，其形状为圆形的同心圆状，本示意图中没有标注保护环，一般保护环为最外环的重掺杂P型半导体硅。这样，P型的阴极为多个同心圆，收集电极(n+阳极)处在圆心位置，面积可以比线性形状的SDD更小。圆柱形状SDD的输入电容一般不大于100fF(例如：一个50mm²，300μm厚的P-N探测器的输入电容是16000fF)。有效平行噪声ENC_par和有效串连噪声ENC_series可以通过下面的公式进行计算：

其中，I_leak是探测器的漏电流，C_t是探测器的总输入电容，t_peak是输出信号的峰值响应时间。

如图2所示，是本发明实施例提供的一种大面积螺旋状的圆柱形双面硅漂移探测器。

所述大面积同心圆状圆柱形双面硅漂移探测器的设计方法，包括以下步骤：

(1)确定硅漂移探测器前后表面的电势：

圆柱形双面硅漂移探测器的内部漂移电场与探测器的上下两个表面电势分布有关，圆柱形双面硅漂移探测器内部的任何一点(r,x,θ)的负电势应满足以下条件：

and

其中，x为探测器厚度方向的坐标，r为沿着圆柱形半径方向的坐标，θ为角坐标，这样泊松方程可以简化为以下形式：

其中N_eff是SDD的有效掺杂浓度，方程(2)的解即为：

其中，V_fd＝qN_Dd²/2ε₀ε为全耗尽电压，d是SDD的厚度，Φ(r)和Ψ(r)分别是前后表面的电势(x＝0和x＝d)：

Φ(r)＝φ(r,x＝0)andΨ(r)＝φ(r,x＝d)。

(2)拟采用数学变分法计算载流子在硅漂移探测器中漂移时从点S₁到点S₂的最佳漂移路径：

假定反面的电压分布与正面的电压分布是成正比的，有：

Ψ(r)＝V_B+γΦ(r)(0≤γ＜1) (5)

进而可得到最佳的漂移路径；

(3)确定最佳漂移路径的常数漂移电场：满足沿着最佳漂移路径上的电场为一常数，即E_dr,r(r,x_ch(r))＝E_dr,r，而得到的常数漂移电场的表面电势分布须由如下方程确定：

其对应的表面电场分布为：

其中V_B，V_E1如图3所示，而V_fd为全耗尽电压，分析可知，常数漂移电场完全由所加的电压决定：

图4示出了特殊情况下(γ＝0，背面加一个常数电压)，圆柱形SDD前后表面及漂移轨道上的电势分布。可见漂移轨道的电势分布呈线性(即电场为一常数)，而前表面的电势分布是非线性的，特别是靠近外环电极时。

这种背面加常数电压的情况只适用于小面积的SDD，而对于本项目要开发的面积超过314mm2的SDD，则要求γ>0，这是开发大面积SDD需要解决的关键技术点之一。

SDD分压器都是外接独立的电阻链，且电阻为线性分布，可得到一个线性的电势分布。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种大面积同心圆状圆柱形双面硅漂移探测器的设计方法，其特征在于，所述大面积同心圆状圆柱形双面硅漂移探测器的设计方法，包括以下步骤：

(1)确定硅漂移探测器前后表面的电势：

圆柱形双面硅漂移探测器的内部漂移电场与探测器的上下两个表面电势分布有关，圆柱形双面硅漂移探测器内部的任何一点(r,x,θ)的负电势应满足以下条件：

其中，x为探测器厚度方向的坐标，r为沿着圆柱形半径方向的坐标，θ为角坐标，这样泊松方程可以简化为以下形式：

其中N_eff是SDD的有效掺杂浓度，方程(2)的解即为：

其中，V_fd＝qN_Dd²/2ε₀ε为全耗尽电压，d是SDD的厚度，Φ(r)和Ψ(r)分别是前后表面的电势(x＝0和x＝d)：

Φ(r)＝φ(r,x＝0)and Ψ(r)＝φ(r,x＝d)。

(2)拟采用数学变分法计算载流子在硅漂移探测器中漂移时从点S₁到点S₂的最佳漂移路径：

假定反面的电压分布与正面的电压分布是成正比的，有：

Ψ(r)＝V_B+γΦ(r) (0≤γ＜1) (5)

进而可得到最佳的漂移路径；

(3)确定最佳漂移路径的常数漂移电场：满足沿着最佳漂移路径上的电场为一常数，即E_dr,r(r,x_ch(r))＝E_dr,r，而得到的常数漂移电场的表面电势分布须由如下方程确定：

其对应的表面电场分布为：

V_fd为全耗尽电压，分析可知，常数漂移电场完全由所加的电压决定：

2.如权利要求1所述的大面积同心圆状圆柱形双面硅漂移探测器的设计方法，其特征在于，大面积同心圆状圆柱形双面硅漂移探测器中γ>0。

3.如权利要求1所述的大面积同心圆状圆柱形双面硅漂移探测器的设计方法，其特征在于，漂移轨道的电势分布呈线性(即电场为一常数)，而前表面的电势分布是非线性的，特别是靠近外环电极时。

4.一种通过权利要求1所述的大面积同心圆状圆柱形双面硅漂移探测器的设计方法设计的一种大面积同心圆状圆柱形双面硅漂移探测器。