CN211062728U - 基于条状中央收集电极的硅漂移探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于条状中央收集电极的硅漂移探测器，包括横截面为腰圆形的柱状基体，基体顶部中间设有腰圆形的中央收集电极，中央收集电极周围设有腰圆形阴极环，腰圆形阴极环外侧设有保护环，基体底面设有腰圆形阴极环和保护环，腰圆形阴极环和中央收集电极之间、腰圆形阴极环之间设有条形阴极，中央收集电极、腰圆形阴极环、条形阴极和保护环上附有铝电极层，中央收集电极、腰圆形阴极环、条形阴极和保护环之间的基体上设有二氧化铝绝缘层；本实用新型的内部电势电场分布较均匀，具有较高的能量分辨率和位置分辨率，硅探测器单元的抗辐射能力和基片的表面利用率提高。

Description

基于条状中央收集电极的硅漂移探测器

技术领域

本实用新型属于硅漂移探测器技术领域，涉及一种基于条状中央收集电极的硅漂移探测器。

背景技术

探测器的种类很多，包括闪烁体探测器、气体探测器、三维沟槽探测器和硅漂移探测器等，各类型探测器由于其独特的性能被应用于不同技术领域；硅探测器的作用原理是入射粒子与探测器灵敏区(耗尽区)发生电离作用，生成自由电子-空穴对，在电场作用下自由电子和空穴分别向阳极或阴极运动，实现对入射粒子的探测，硅漂移探测器具有输出电容小、电子学噪声小、信噪比高、能量分辨率好等优势，被广泛的应用于高能物理、天体物理、X射线检测和医学等领域。

但目前的六边形硅漂移探测器的电场分布不够均匀，圆形硅漂移探测器虽然电场分布均匀，能量分辨率也很好，但是位置分辨率较差，且圆形硅漂移探测器单元组成阵列时，死区面积会较大，目前的生产技术制备的硅漂移探测器尺寸较小，因此对于基片的利用率不高。

实用新型内容

为了达到上述目的，本实用新型提供一种基于条状中央收集电极的硅漂移探测器，使得硅探测器内部的电场分布较为均匀，能量分辨率和位置分辨率较好，且组成阵列时死区面积较小，基片利用率较高。

本实用新型所采用的技术方案是，基于条状中央收集电极的硅漂移探测器，包括横截面为腰圆形的柱状基体，所述基体的顶面中间设有横截面为腰圆形的中央收集电极，中央收集电极周围的基体顶面设有数个腰圆形阴极环，腰圆形阴极环外侧的基体顶面设有保护环，中央收集电极的平行段、腰圆形阴极环的平行段、保护环的平行段与基体顶面的平行段平行且长度相等，腰圆形阴极环两端的半圆与中央收集电极、保护环、基体顶面两端的半圆共圆心，中央收集电极、腰圆形阴极环和保护环之间的间距相同；

基体顶面的腰圆形阴极环的平行段之间、腰圆形阴极环的平行段与中央收集电极的平行段之间设有条形阴极，条形阴极的长度与腰圆形阴极环平行段的长度相同；

基体底面也设有腰圆形阴极环和保护环，腰圆形阴极环的平行段之间设有条形阴极，腰圆形阴极环、条形阴极和保护环在基体底面的位置与其在基体顶面的位置相同；

中央收集电极、腰圆形阴极环、条形阴极和保护环上均附有铝电极层，中央收集电极、腰圆形阴极环、条形阴极和保护环之间的基体上固定有二氧化铝绝缘层，二氧化铝绝缘层和铝电极层齐高。

进一步的，所述基体为轻掺杂磷的n型硅，基体的掺杂浓度为1x10¹²cm^-3；中央收集电极为重掺杂磷的n型硅，掺杂浓度为1x10¹⁹cm^-3；腰圆形阴极环和条形阴极的掺杂类型相同，均为重掺杂硼的p型硅，掺杂浓度为1x10¹⁸cm^-3。

进一步的，所述基体的高度为300μm，中央收集电极、腰圆形阴极环、条形阴极和保护环的掺杂厚度均为1μm，铝电极层的厚度为1μm，中央收集电极的平行段宽度为60μm，腰圆形阴极环的环宽度为60μm，条形阴极的宽度为5μm，腰圆形阴极环与中央收集电极之间、腰圆形阴极环之间、腰圆形阴极环与保护环之间的间距均为30μm。

进一步的，所述硅漂移探测器的腰圆形阴极环和条形阴极上的外接电压满足下列条件：

其中Ψ(r)表示基体顶面的电压分布，V_b表示基体底面由内向外第一环腰圆形阴极环上外加的电压，γ为系数，Φ(r)表示基体底面的电压分布，V_fd表示硅探测器的耗尽电压，V(R)表示基体顶面由内向外最后一环腰圆形阴极环上外加的电压，条形阴极上所加的电压为条形阴极两侧腰圆形阴极环所加电压之和的一半。

进一步的，所述系数γ为0.3。

本实用新型的有益效果是：本实用新型将腰圆形阴极环与条形阴极结合，在具有较大有效面积的同时使硅探测器内部的电势电场更加均匀，具有较高的能量分辨率和位置分辨率，本实用新型可在探测器表面面积不变的情况下在长度方向上调整结构大小，提高硅探测器单元的抗辐射能力，本实用新型的方形区域增加了硅探测器的有效面积，使硅探测器阵列更加紧促、死区更小，基片的表面利用率更高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例的结构图。

图2是本实用新型实施例的俯视图。

图3是本实用新型实施例的A-A剖视图。

图4是本实用新型实施例的B-B剖视图。

图5是本实用新型实施例的阵列图。

图6是本实用新型实施例效果图。

图中，1.基体，2.中央收集电极，3.条形阴极，4.腰圆形阴极环，5.保护环。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例

如图1所示，基于条状中央收集电极的硅漂移探测器包括基体1，基体1为横截面呈腰圆形的柱状结构，基体1顶面中间设有横截面呈腰圆形的中央收集电极2，中央收集电极2周围的基体1顶面设有数个腰圆形阴极环4，腰圆形阴极环4外侧的基体1顶面设有腰圆形的保护环5，中央收集电极2的平行段、腰圆形阴极环4的平行段、保护环5的平行段与基体1顶面的平行段平行且长度相等，保护环5两端的半圆与腰圆形阴极环4、中央收集电极2、基体1横截面两端的半圆共圆心；如图2所示，腰圆形阴极环4的平行段与中央收集电极2的平行段之间、腰圆形阴极环4的平行段之间均设有条形阴极3，条形阴极3的长度与中央收集电极2的平行段长度相同，腰圆形阴极环4与中央收集电极2之间、腰圆形阴极环4之间、腰圆形阴极环4与保护环5之间的间距均相同；如图3、图4所示基体1底面设有腰圆形阴极环4和保护环5，基体1底面的腰圆形阴极环4的平行段间设有条形阴极3，腰圆形阴极环4、保护环5和条形阴极3在基体1底面的位置与其在基体1顶面的位置相同；中央收集电极2、腰圆形阴极环4、条形阴极3与保护环5上均固定有铝电极层，铝电极层之间设有二氧化铝绝缘层，铝电极层与二氧化铝绝缘层齐高。

基体1为轻掺杂磷的n型硅，基体1的掺杂浓度为1x10¹²cm^-3，基体1的掺杂浓度增大使基体1中存在的可自由移动电子、空穴数目增多，净载流子的浓度增高，基体1的耗尽难度加大；相反基体1的掺杂浓度减小使基体1的耗尽电压变小、导电能力减弱；本实用新型提供的基体1掺杂浓度使基体1易耗尽，且耗尽时产生的载流子浓度足够高，硅探测器导电能力较好；中央收集电极2为重掺杂磷的n型硅，掺杂浓度为1x10¹⁹cm^-3，腰圆形阴极环4和条形阴极3的掺杂类型相同，均为重掺杂硼的p型硅，掺杂浓度为1x10¹⁸cm^-3。

基体1的高度为300μm，中央收集电极2、腰圆形阴极环4、条形阴极3和保护环5的掺杂厚度均为1μm，铝电极层的厚度为1μm，中央收集电极2平行段间的宽度为60μm，腰圆形阴极环4的环宽度为60μm，条形阴极3的宽度为5μm；腰圆形阴极环4之间的间距为30μm，在外加电压的作用下电极之间存在横向的漂移电场，电极之间的间距过小，电极之间的漏电流增大，使得硅探测器内部的噪声增加，信噪比减小，不利于入射粒子电流信号的读出；电极之间的间距过大，则电极之间的横向漂移电场强度减小，硅探测器的电荷收集性能降低、能量分辨率降低，本实用新型设置的电极间距使得硅探测器内部的信噪比较高，入射粒子的电流信号读出较好，硅探测器的电荷收集性能较好、能量分辨率高。

在硅探测器上施加合适的电压，能够防止硅探测器的正面和反面同时达到耗尽电压发生击穿，电极之间的漏电流较小，电子空穴的漂移速度块，能提高硅探测器的电荷收集能力，为缩短入射粒子的漂移路径，将从硅探测器中央收集电极2到保护环5方向的电场分量设为常量，则各阴极上的外接电压应该满足如下关系：

其中Ψ(r)表示基体1顶面的电压分布，V_b表示基体1底面由内向外第一环腰圆形阴极环4上外加的电压，γ表示与入射粒子漂移路径相关的系数，Φ(r)表示基体1底面的电压分布，V_fd表示硅探测器的耗尽电压，V(R)表示基体1顶面由内向外最后一环腰圆形阴极环4上外加的电压，条形阴极3上所加的电压为条形阴极3两侧腰圆形阴极环4所加电压之和的一半，在γ＝0.3时入射粒子在硅探测器内部的漂移路径近似为直线，此时硅探测器的电荷收集效率较好。

基于条状中央收集电极的硅漂移探测器将中央收集电极2设成条状，在中央收集电极2周围设置腰圆形阴极环4，在腰圆形阴极环4与中央收集电极2、腰圆形阴极环4之间设置条形阴极3，使得硅探测器内部的电场分布更加均匀，有利于入射粒子的电流信号读出，提高了硅探测器的能量分辨率和位置分辨率；本实用新型实施例还能适当调整硅探测器中腰圆形结构平行段的长度，减小入射粒子在硅探测器内部的漂移路径，提高硅探测器的抗辐射能力；如图5所示，本实用新型实施例组成阵列时，相邻硅探测器单元可以共用基体1和保护环5的平行段，减小了死区面积，提高了对硅基片的利用率。

使用入射粒子入射本实用新型实施例，对入射粒子在中央收集电极2产生的电流信号进行检测，入射粒子设定如下：重粒子入射方向设为(0,-1)，入射位置设为(300,301)，入射时间设为2.0e-11，入射深度设为[0 0.001 300 300.01]，作用范围半径设为[1 1 11]，线性能量转换值设为[0 1.282e-5 1.282e-5 0]，空间分布为高斯分布，检测结果如图6所示，图6中横坐标表示粒子入射时间，纵坐标表示中央收集电极2检测到的电流，由图6可知入射粒子在中央收集电极2处产生的电流峰值达到2*10^(-6)以上，本实用新型实施例检测到的电流信号良好，且电流信号持续时间短、无长尾，说明三维硅探测器内部电势电场分布较均匀，信噪比较高，硅探测器的响应时间短，能更好的区分不同入射粒子，对入射粒子的能量分辨率和位置分辨率较高。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.基于条状中央收集电极的硅漂移探测器，其特征在于，包括横截面为腰圆形的柱状基体(1)，所述基体(1)的顶面中间设有横截面为腰圆形的中央收集电极(2)，中央收集电极(2)周围的基体(1)顶面设有数个腰圆形阴极环(4)，腰圆形阴极环(4)外侧的基体(1)顶面设有保护环(5)，中央收集电极(2)的平行段、腰圆形阴极环(4)的平行段、保护环(5)的平行段与基体(1)顶面的平行段平行且长度相等，腰圆形阴极环(4)两端的半圆与中央收集电极(2)、保护环(5)、基体(1)顶面两端的半圆共圆心，中央收集电极(2)、腰圆形阴极环(4)和保护环(5)之间的间距相同；

基体(1)顶面的腰圆形阴极环(4)的平行段之间、腰圆形阴极环(4)的平行段与中央收集电极(2)的平行段之间设有条形阴极(3)，条形阴极(3)的长度与腰圆形阴极环(4)平行段的长度相同；

基体(1)底面也设有腰圆形阴极环(4)和保护环(5)，腰圆形阴极环(4)的平行段之间设有条形阴极(3)，腰圆形阴极环(4)、条形阴极(3)和保护环(5)在基体(1)底面的位置与其在基体(1)顶面的位置相同；

中央收集电极(2)、腰圆形阴极环(4)、条形阴极(3)和保护环(5)上均附有铝电极层，中央收集电极(2)、腰圆形阴极环(4)、条形阴极(3)和保护环(5)之间的基体(1)上固定有二氧化铝绝缘层，二氧化铝绝缘层和铝电极层齐高。

2.根据权利要求1所述的基于条状中央收集电极的硅漂移探测器，其特征在于，所述基体(1)为轻掺杂磷的n型硅，基体(1)的掺杂浓度为1x10¹²cm^-3；中央收集电极(2)为重掺杂磷的n型硅，掺杂浓度为1x10¹⁹cm^-3；腰圆形阴极环(4)和条形阴极(3)的掺杂类型相同，均为重掺杂硼的p型硅，掺杂浓度为1x10¹⁸cm^-3。

3.根据权利要求1所述的基于条状中央收集电极的硅漂移探测器，其特征在于，所述基体(1)的高度为300μm，中央收集电极(2)、腰圆形阴极环(4)、条形阴极(3)和保护环(5)的掺杂厚度均为1μm，铝电极层的厚度为1μm，中央收集电极(2)的平行段宽度为60μm，腰圆形阴极环(4)的环宽度为60μm，条形阴极(3)的宽度为5μm，腰圆形阴极环(4)与中央收集电极(2)之间、腰圆形阴极环(4)之间、腰圆形阴极环(4)与保护环(5)之间的间距均为30μm。

4.根据权利要求1所述的基于条状中央收集电极的硅漂移探测器，其特征在于，所述硅漂移探测器的腰圆形阴极环(4)和条形阴极(3)上的外接电压满足下列条件：

其中Ψ(r)表示基体(1)顶面的电压分布，V_b表示基体(1)底面由内向外第一环腰圆形阴极环(4)上外加的电压，γ为系数，Φ(r)表示基体(1)底面的电压分布，V_fd表示硅探测器的耗尽电压，V(R)表示基体(1)顶面由内向外最后一环腰圆形阴极环(4)上外加的电压，条形阴极(3)上所加的电压为条形阴极(3)两侧腰圆形阴极环(4)所加电压之和的一半。

5.根据权利要求4所述的基于条状中央收集电极的硅漂移探测器，其特征在于，所述系数γ为0.3。

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