CN205542848U - 应用六方形螺旋环分压器的硅漂移室探测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种应用六方形螺旋环分压器的硅漂移室探测器，属于X射线和伽马射线半导体探测器技术领域，包括在硅基上制作的六方形螺旋环分压器和六方形硅漂移室，螺旋环分压器的硅基块的上表面和下表面均蚀刻有螺旋环，硅漂移室的硅基块的上表面和下表面均蚀刻有同心环，螺旋环之间及同心环之间的间距较宽的是P型重掺杂区域，螺旋环之间及同心环之间的间距较窄的是N型轻掺杂区域；P型重掺杂螺旋环或同心环的宽度能做渐进变宽调节，P型重掺杂同心环宽度与P型重掺杂同心环宽度和N型轻掺杂区域宽度之和的比率η≥0.7。解决了现有探测器自身产热高、不易散热、耗能大、成本高的问题。
Description
技术领域
本实用新型属于X射线和伽马射线半导体探测器技术领域，涉及一种应用六方形螺旋环分压器的硅漂移室探测器(阵列)。
背景技术
硅漂移探测器(Silicon Drift Detector，简称SDD)是半导体探测器的一种，用来探测X射线，广泛应用在能量色散型X射线荧光光谱仪(XRF)或者X射线能谱仪(EDS)、医疗设备、高能物理研究设备、航空航天上。
最早的SDD探测器的概念是1983年Gatti和Rehak根据侧向耗尽的原理提出的。它的主要结构是一块低掺杂的高阻硅，背面的辐射入射处有一层很薄的异质突变结，正面的异质掺杂电极设计成间隔很短的条纹(通常做成同心圆环状)，反转偏置场在电极间逐步增加，形成平行表面的电场分量。耗尽层电离辐射产生的电子受该电场力驱动，向极低电容的收集阳极“漂移”，形成计数电流。SDD探测器的最突出特点有：
1.高计数率。由于收集阳极的电容极低，相比通常的硅PIN器件，SDD具有更短的上升时间，因而特别适合在高计数率的情况下工作。
2.高能量分辨率。SDD的阳极面积小于通常硅PIN器件，由于电容的减小，在收集等量电荷的情况下具有更高的电压，提高了其能量分辨率。
3.可在常温下工作。SDD的电容和漏电流要比一般探测器小两个数量级以上，通常把场效应管(FET)和Peltier效应器件都整合到一起，这样仪器在常温下就能满足SDD的制冷需求，特别适用于便携式设备的现场使用。
然而，传统的SDD探测器，为了能在载流子的漂移轨道上产生稳定合适的漂移电场，就需要在探测器的设计上外接变阻器组，找到能使探测器产生合适漂移电场的变阻器组不是一件容易的工作，而且为达到要求，单个变阻器的阻值比较大，在市场上比较难找到符合要求的变阻器。硅漂移室探测器的设计原理就是要求自探测器的最外环至最内环有一个均匀的电势梯度，以驱使载流子向探测器的中心收集“阳极”漂移。因此，探测器的每一个环需一个对应的合适的变阻器。如此，不仅硅漂移室探测器的设计制造成本大大增加，而且探测器(阵列)的整体结构设计也会变得非常复杂，制造成本也会相应增加。
后来，科学家们为解决变阻器这个问题，提出了一种新的硅漂移室探测器结构——螺旋形硅漂移室探测器(Spirial Silicon Drift Detector)。螺旋形硅漂移室探测器确实能解决有关变阻器这个问题，然而这种设计也会产生一些问题。螺旋形硅漂移室探测器的螺旋环既是p-n结，又是分压器。设计上，它的像素宽度与重掺杂宽度必须在一定的比率范围，才能在漂移轨道上产生合适的漂移电场，在这个比率范围内通过环的电流还比较大，因此，对于探测器阵列来说，自身产热比较高，而且保留在探测器阵列中，需要外接散热效果较好的散热设备，才能保证探测器阵列正常工作。除此之外，环中电流较大，探测器阵列的耗能也会非常高，使用成本相应提高。
实用新型内容
为了达到上述目的，本实用新型提供一种应用六方形螺旋环分压器的硅漂移室探测器，解决了现有探测器自身产热高、不易散热、耗能大、成本高的问题。
本实用新型所采用的技术方案是，一种应用六方形螺旋环分压器的硅漂移室探测器，包括在硅基上制作的六方形螺旋环分压器和六方形硅漂移室，六方形螺旋环分压器的硅基块的上表面和下表面均蚀刻有螺旋环，六方形硅漂移室的硅基块的上表面和下表面均蚀刻有同心环，螺旋环之间及同心环之间的间距较宽的是P型重掺杂区域，螺旋环之间及同心环之间的间距较窄的是N型轻掺杂区域；P型重掺杂螺旋环或同心环的宽度能做渐进变宽调节，P型重掺杂同心环宽度与P型重掺杂同心环宽度和N型轻掺杂区域宽度之和的比率η≥0.7。
本实用新型的特征还在于，进一步的，六方形螺旋环分压器的上表面和下表面的螺旋环完全对称。
进一步的，六方形硅漂移室的上表面和下表面的同心环除中心不对称，其余部分完全对称。
进一步的，螺旋环的深度1-10μm，同心环的深度1-10μm；硅基体的厚度300μm。
进一步的，六方形螺旋环分压器的硅基块及六方形硅漂移室的硅基块都是N型轻掺杂。
进一步的，六方形螺旋环分压器和六方形硅漂移室在同一硅基体上或不同硅基体上制作，六方形螺旋环分压器和六方形硅漂移室在不同硅基体上制作时，六方形螺旋环分压器和六方形硅漂移室之间用铝线连接。
进一步的，六方形硅漂移室的P型重掺杂同心环宽度≤80μm。
进一步的，六方形螺旋环分压器上表面的P型重掺杂螺旋环的最外端设有外端阴极、最里端设有里端阴极；六方形螺旋环分压器下表面P型重掺杂螺旋环的最外端设有外端阴极、最里端设有里端阴极，六方形硅漂移室的上表面中心设有阳极。
本实用新型的有益效果是：本实用新型能解决变阻器分压的问题，还能够通过调节螺旋环P型重掺杂区域宽度与N型轻掺杂区域宽度的比率来改变通过螺旋环的电流大小，从而减小探测器的自身产热和耗能。与螺旋环硅漂移室探测器相比，应用六方形螺旋环分压器的硅漂移室探测器(阵列)能做成更大阵列的探测器系统，减少自身产热，降低对散热系统的要求，从而降低成本。
相比四方形分压器与硅漂移室的合成探测器，应用六方形分压器的硅漂移室探测器的电学性能会更好，结构内电势分布对称性更高、更均匀。应用六方形分压器的硅漂移室探测器是最接近最佳型圆形硅漂移室探测器而又能在空间排列展开组成阵列的探测器。四方形的也能在空间组成阵列，但空间电势分布没有六方形的对称性高，电学性能也就没有六方形的好。圆形的对称性是最高的，但不能组成阵列，也就是不能做成大面积的硅漂移室探测器阵列。
附图说明
图1是六方形螺旋环分压器与硅漂移室的连接图。
图2是应用六方形螺旋环分压器的硅漂移室探测器的上表面结构图。
图3是六方形硅漂移室阵列。
图中，1.六方形螺旋环分压器，2.六方形硅漂移室，3.铝线，4.里端阴极，5.外端阴极，6.阳极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
如图1所示，六方形螺旋环分压器(SBA)1和六方形硅漂移室(SDD)2可以在同一硅基体上制作，也可以在不同硅基体上制作；六方形螺旋环分压器1的硅基块及六方形硅漂移室2的硅基块都是N型轻掺杂；六方形螺旋环分压器1的硅基块的上表面和下表面均蚀刻有螺旋环，螺旋环的深度1-10μm，且上下表面的螺旋环是完全对称的，六方形硅漂移室2的硅基块的上表面和下表面均蚀刻有同心环，同心环的深度1-10μm，除上下表面的中心，其余部分是完全对称的同心环；螺旋环之间及同心环之间的间距较宽的是P型重掺杂区域，螺旋环之间及同心环之间的间距较窄的是N型轻掺杂区域，六方形螺旋环分压器1和六方形硅漂移室2在不同硅基体上制作，它们之间用铝线3连接；六方形螺旋环分压器1和六方形硅漂移室2在同一个硅基体上制作，制作六方形螺旋环分压器1和六方形硅漂移室2的工艺步骤、参数、尺寸大小均相同。P型重掺杂螺旋环和同心环的宽度能做渐进变宽调节，只要P型重掺杂同心环的宽度与P型重掺杂同心环的宽度和环间N型轻掺杂宽度之和的比率η≥0.7，就能保证在硅漂移室中产生合适漂移场。P型重掺杂螺旋环的宽度与螺旋环间N型轻掺杂宽度比率没有严格的约束(即η可以小于0.7)。
硅基体的N型轻掺杂浓度为：8×1011/cm3(该浓度稍微大一个数量级，最高位数字也可以变化)，厚度为300μm；
螺旋环和同心环的P型重掺杂浓度为：1×1018/cm3；
N型轻掺杂浓度为：1×1019/cm3；
六方形硅漂移室2的P型重掺杂同心环宽度≤80μm，且与P型重掺杂同心环宽度和N型轻掺杂宽度之和的比率η≥0.7；
本实用新型的电极及其相互连接：
应用六方形螺旋环分压器的硅漂移室探测器总共有五个电极，四个阴极和一个阳极(收集极)。四个阴极在六方形螺旋环分压器上，如图2，上表面的P型重掺杂螺旋环的最外端设有外端阴极5、最里端设有里端阴极4；下表面P型重掺杂螺旋环的最外端设有外端阴极5、最里端设有里端阴极4，阳极6设在六方形硅漂移室2的上表面中心；螺旋环分压器与硅漂移室之间用铝线3连接，螺旋环的相应位置与硅漂移室的对应环链接。一个六方形螺旋环分压器1和两个或两个以上六方形硅漂移室2构成探测器阵列，硅漂移室单元之间通过铝线3连接，如图3，由于图形复杂，在图3中没有画出硅漂移室单元之间的连接线。
应用六方形螺旋环分压器的硅漂移室探测器能做成更大阵列的探测器系统，减少自身产热，降低对散热系统的要求。
Claims (8)
1.一种应用六方形螺旋环分压器的硅漂移室探测器，其特征在于，包括在硅基上制作的六方形螺旋环分压器(1)和六方形硅漂移室(2)，六方形螺旋环分压器(1)的硅基块的上表面和下表面均蚀刻有螺旋环，六方形硅漂移室(2)的硅基块的上表面和下表面均蚀刻有同心环，螺旋环之间及同心环之间的间距较宽的是P型重掺杂区域，螺旋环之间及同心环之间的间距较窄的是N型轻掺杂区域；P型重掺杂螺旋环或同心环的宽度能做渐进变宽调节，P型重掺杂同心环宽度与P型重掺杂同心环宽度和N型轻掺杂区域宽度之和的比率η≥0.7。
2.根据权利要求1所述的一种应用六方形螺旋环分压器的硅漂移室探测器，其特征在于，所述六方形螺旋环分压器(1)的上表面和下表面的螺旋环完全对称。
3.根据权利要求1所述的一种应用六方形螺旋环分压器的硅漂移室探测器，其特征在于，所述六方形硅漂移室(2)的上表面和下表面的同心环除中心不对称，其余部分完全对称。
4.根据权利要求1所述的一种应用六方形螺旋环分压器的硅漂移室探测器，其特征在于，所述螺旋环的深度1-10μm，同心环的深度1-10μm；硅基体的厚度300μm。
5.根据权利要求1所述的一种应用六方形螺旋环分压器的硅漂移室探测器，其特征在于，所述六方形螺旋环分压器(1)的硅基块及六方形硅漂移室(2)的硅基块都是N型轻掺杂。
6.根据权利要求1所述的一种应用六方形螺旋环分压器的硅漂移室探测器，其特征在于，所述六方形螺旋环分压器(1)和六方形硅漂移室(2)在同一硅基体上或不同硅基体上制作，六方形螺旋环分压器(1)和六方形硅漂移室(2)在不同硅基体上制作时，六方形螺旋环分压器(1)和六方形硅漂移室(2)之间用铝线(3)连接。
7.根据权利要求1所述的一种应用六方形螺旋环分压器的硅漂移室探测器，其特征在于，所述六方形硅漂移室(2)的P型重掺杂同心环宽度≤80μm。
8.根据权利要求1所述的一种应用六方形螺旋环分压器的硅漂移室探测器，其特征在于，所述六方形螺旋环分压器(1)上表面的P型重掺杂螺旋环的最外端设有外端阴极(5)、最里端设有里端阴极(4)；六方形螺旋环分压器(1)下表面P型重掺杂螺旋环的最外端设有外端阴极(5)、最里端设有里端阴极(4)，六方形硅漂移室(2)的上表面中心设有阳极(6)。
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