CN210805786U

CN210805786U - 一种同心环型大面积硅漂移探测器

Info

Publication number: CN210805786U
Application number: CN201921868528.5U
Authority: CN
Inventors: 李正; 母恒恒; 刘曼文
Original assignee: Xiangtan University
Current assignee: Xiangtan University
Priority date: 2019-11-01
Filing date: 2019-11-01
Publication date: 2020-06-19
Anticipated expiration: 2029-11-01

Abstract

本实用新型属于探测器技术领域，公开了一种同心环型大面积硅漂移探测器，计算探测器的电极和电阻的宽度分布；计算硅漂移探测器电场电压分布；确定漂移电场和漂移时从点S1到点S2的最佳漂移路径；确定硅漂移探测器后表面的设计；漂浮电极的设计。本实用新型对SDD载流子漂移行为规律与重掺杂电极生长的分析。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。在同心圆型的硅漂移探测器电极之间利用ALD技术沉积一层分压电阻，使同心圆型的探测器在不需要外加分压器的情况下可正常工作。

Description

一种同心环型大面积硅漂移探测器

技术领域

本实用新型属于探测器技术领域，尤其涉及一种利用ALD内分压的同心环型大面积硅漂移探测器及应用。

背景技术

目前，最接近的现有技术：目前，国内脉冲星导航方面的核心技术-高能量分辨率单元及SDD阵列SDD的研究工作严重滞后。国内的研究主要集中于小面积单个SDD的制作工艺方面。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技术方向发展，以满足X射线脉冲星自主导航授时***高性能、大区域覆盖、高可用性的重大技术需求。在探测器家族中，同心环型探测器早已被使用，且性能较为优异，但是同心环型探测器存在面积小和需外接电阻分压的特性。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，目前存在的问题；

(1)在技术上需要改善探测器的结构，使其不需要外接分压器。

(2)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。

(3)小面积同心环状圆柱形探测器，虽然其对称性高，电学性能也好，但其组成的阵列死区过大，性能有所下降。

解决上述技术问题的意义：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。因此，急需加快开展我国应用于X射线脉冲星自主导航授时***的高能量分辨率SDD关键技术攻关与试验验证，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***的技术瓶颈具有极其重要的意义。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种利用ALD内分压的同心环型大面积硅漂移探测器及应用。

本实用新型是这样实现的，一种利用ALD内分压的同心环型大面积硅漂移探测器的设计方法得到的同心环型大面积硅漂移探测器，所述同心环型大面积硅漂移探测器包括：阳极电极、正面阴极电极、正面分压电阻、正面保护环、反面阴极电极、反面分压电阻、正反面保护环、基体、上表面的漂浮电极、下表面的漂浮电极、上表面二氧化硅层、下表面二氧化硅层。

进一步，所述阳极电极为重掺杂的N型半导体硅。

进一步，所述正面阴极电极为重掺杂的P型半导体硅；

所述反面阴极电极为重掺杂的P型半导体硅。

本实用新型的另一目的在于提供一种应用所述利用ALD内分压的同心环型大面积硅漂移探测器的X射线探测器。

综上所述，本实用新型的优点及积极效果为：本实用新型从新结构、新型工艺集成设计与光的粒子性理论计算方法入手，通过ALD技术解决了同心环工作必须外接电阻分压的问题。本实用新型是大面积同心环型硅漂移探测器，而且本设计的半径＞1cm，所以本设计的面积大于314mm²，远远大于小面积探测器的面积，其阵列中单位面积的性价比也高于小面积探测器。由于圆形的对称性最高，所以电学性能更好，结构中的电场电势分布更均匀，小面积的同心环型探测器半径在300μm左右，所以需组成阵列使用，但本结构设计的是大面积同心环型过漂移探测器，半径＞1cm，面积大于314mm²，远远大于小面积探测器的面积，无需组成阵列使用，解决了同心环状圆柱形探测器组成阵列时死区过大的问题。

本实用新型利用ALD沉积电阻使同心环型的探测器不需要外接电阻分压，螺旋环型探测器也有内分压的作用，但本结构设计要比螺旋环型的结构和性能更加优异且有区别；(1)螺旋环型探测器用螺旋环型的阴极环分压，而用ALD 沉积电阻分压的同心环用电阻环分压，阴极环不参与分压。(2)螺旋环型探测器利用螺旋型阴极环分压对集体中的电场、电势和电压产生影响，而用ALD沉积电阻分压的同心环型探测器用电阻环分压，电阻环对集体中的电场、电势和电压不产生影响(电势均匀变化，电场为定值，阴极环之间的电压也为定值)。带有ALD电阻和漂浮电极的同心环形大面积硅漂移探测器设计方法如下；确定探测器的电极和电阻的宽度分布；确定硅漂移探测器前后表面的电场、电势；确定漂移电场和漂移时从点S1到点S2的最佳漂移路径；确定硅漂移探测器后表面的设计；确定漂浮电极。本结构主要是在新结构，新工艺方面入手，对SDD 载流子漂移行为规律与重掺杂电极生长的分析。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。

本实用新型结构设计的是在同心圆型的硅漂移探测器电极之间沉积一层电阻，这样就可以使同心圆型的探测器在不需要外加分压器的情况下可以正常工作。在本设计中所有电极之间的电阻阻值R为定值，这样可实现均匀分压，即ΔV恒定。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的利用ALD内分压的同心环型大面积硅漂移探测器的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的利用ALD内分压的同心环型大面积硅漂移探测器反面(即没有阳极的一面)的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的利用ALD内分压的同心环型大面积硅漂移探测器的剖面示意图；

图中：1、阳极电极；2、正面阴极电极；3、正面分压电阻；4、正面保护环；5、反面阴极电极；6、反面分压电阻；7、正反面保护环；8、基体；9、上表面的漂浮电极；10、下表面的漂浮电极；11、上表面二氧化硅层；12、下表面二氧化硅层。

图4是本实用新型实施例提供的利用ALD内分压的同心环型大面积硅漂移探测器的设计方法流程图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种利用ALD内分压的同心环型大面积硅漂移探测器、设计方法及应用，下面结合附图对本实用新型作详细的描述。

如图1-图3所示，本实用新型实施例提供的利用ALD内分压的同心环型大面积硅漂移探测器包括：阳极电极1、正面阴极电极2、正面分压电阻3、正面保护环4、反面阴极电极5、反面分压电阻6、正反面保护环7、基体8、上表面的漂浮电极9、下表面的漂浮电极10、上表面二氧化硅层11、下表面二氧化硅层12。

在本实用新型的优选实施例中，阳极电极1为重掺杂的N型半导体硅。

在本实用新型的优选实施例中，正面阴极电极2为重掺杂的P型半导体硅。

在本实用新型的优选实施例中，反面阴极电极5为重掺杂的P型半导体硅。

如图4所示，本实用新型实施例提供的利用ALD内分压的同心环型大面积硅漂移探测器的设计方法包括以下步骤：

S401：计算探测器的电极和电阻的宽度分布；

S402：计算硅漂移探测器电场电压分布；

S403：确定漂移电场和漂移时从点S1到点S2的最佳漂移路径；

S404：确定硅漂移探测器后表面的设计；

S405：漂浮电极的设计。

本实用新型实施例提供的利用ALD内分压的同心环型大面积硅漂移探测器的设计方法具体包括以下步骤：

(1)计算探测器的电极和电阻的宽度分布，电压分布是由经过同心圆形状的重掺杂P型阴极提供的，P型重掺杂阴极是通过离子注入而形成的。如图1 所示，离子注入区域在径向r点的宽度是W_r ^cath，它定义同心圆阴极在径向r的宽度。电阻在径向r点的宽度为W_i ^R，P₀是相邻阴极圈的间距使其一定值，G(r)是相邻注入区域的间隙，G₀为相邻电极与电阻之间的宽度是一定值；

其同心圆间距为：

P₀＝W_i ^cath+2G₀+W_i ^R (1)

电阻的阻值为；

其中i表示为第i圈，α与图形形状有关，表示该图形的周长，在该结构中它表示一段圆弧

ρ为电阻的电阻率。

由(3)式可得；

r₁为第一圈电阻的半径，W₁ ^R为第一圈电阻的宽度。

收集阳极的半径为：

r_i表示第i圈电阻的半径：

将(5)式带入(3)式可得；

再将(6)式带入(1)式可得：

有以上各式可以算出任意一圈电阻宽度和阴极宽度。

(2)计算硅漂移探测器电场电压分布，圆柱形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。

和φ(r)分别是前后表面的电势(x＝0和x＝d)：

由于在本设计中阴极环之间的分压电阻为一定值，所以ΔV＝constant，ΔV_A表示正面电势差，ΔV_B表示负面电势差：

t表示原子层沉积的厚度：

ρ_s为电阻的方块电阻率：

Figure DEST_PATH_GDA00024571935100000610

相邻阴极环之间的电压(ΔV)为；

ΔV＝RI＝EP₀＝constant (14)

IR(r)由欧姆定律得出，EP₀由电场积分得出。其中I是阴极的电流，E是表面电场。

方程(13)和方程(14)把电阻环的几何形状及电流与SDD表面电场联系起来：

ρ_sαr_iI＝P₀EW_i ^R (15)

(3)确定漂移电场和漂移时从点S1到点S2的最佳漂移路径，根据方程(12) 得到的表面电场分布为；

将(15)式代入(16)中可得；

其对应的反面电压的分布是由正面电压的分布来决定的，反面电场分布为：

其中V₁ ^B是反面第一圈阴极环所加电压，γ是一个常数。

SDD电子漂移通道中的漂移电场是；

或者：

E(r)是由方程(15)确定，

是由方程(17)确定。

(4)确定硅漂移探测器后表面的设计

由方程(18)可以算出后表面电势：

后表面电场；

其余后表面参数与正面相同，(如阴极环宽度，电阻宽度，阴极环间间距，电阻与阴极环间间距等都相同。

(5)漂浮电极

P₀＝G(r)+W_i ^cath (23)

有(1)和(23)可得；

G(r)＝2G₀+W_i ^R (24)

有(5)式可知，电阻宽度与半径成正比，所以随着半径的增大，电阻宽度也在增大，又因为G₀为定值，所以G(r)也与半径成正比，随着G(r)的增大，基体中心会出现电场为零的区域，为了避免该区域的出现，加入漂浮电极。漂浮电极是通过注入与阴极环相同的离子和浓度而形成的离子注入区。

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