新型三维沟槽电极硅探测器电荷收集性能的研究

发布时间：2020-05-18 15:41

【摘要】：半导体探测器以其响应速度快、灵敏度高、易于集成等优异的性能,成为光子、高能粒子探测的首选探测器,已被广泛地应用于航空航天、医疗检测、高能物理实验等领域。对于应用在高能物理实验上的探测器,如在欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞实验中(LHC)的探测器,强的辐照环境会导致探测器工作性能的剧烈衰减,如漏电流增加、电阻率的增加等。近年来,高能物理实验上的辐照通量继续增大,如在超级强子对撞实验上(SLHC),辐照通量已达到1×1016 neq/cm2,今后还会持续增大。此时,强辐照导致缺陷效应加剧,陷阱能级对电荷的俘获效应成为影响探测器性能的主要因素。科学家们一直尝试着增强探测器的抗辐照性能,其中一个有效途径就是设计出具有新型结构的探测器,希望它的电荷收集速率快、并且能有较小的全耗尽电压。最近几年出现了一种新型的三维沟槽状电极的硅探测器,该探测器内部电场分布较均匀,全耗尽电压较小,其性能明显优于传统的仅含有柱状电极的三维探测器,目前该探测器正处于研发测试阶段,未来该探测器必将取代传统柱状电极探测器,并会在高能物理实验、X射线探测等领域得到广泛应用。探测器的电荷收集性能作为探测器工作性能的重要参数指标,对高能粒子或是X射线探测的效率及精度方面都是极其重要的。而国内外对该新型三维沟槽电极硅探测器的电荷收集情况,特别是强辐照环境中的电荷收集的研究并未开展。本文中我们通过分析强辐照在硅中产生的辐照效应,包括空间电荷变化、少子寿命变化、以及辐照产生的陷阱能级对电荷的俘获情况等,并且利用Ramo理论,得出了辐照环境中三维沟槽探测器的电荷收集模型。同时借助半导体器件仿真软件(Silvaco TCAD)对电荷收集模型中需要的三维沟槽电极硅探测器的电场分布及其比重分配场的分布进行了仿真,最后得到了该型探测器的具体电荷收集性能。对该型探测器的电荷收集性能仿真结果表明:(1)对于没受过辐射照射的探测器,电荷收集值与高能粒子入射位置无关;(2)对于受过辐射照射的探测器,电荷收集与高能粒子入射位置相关;(3)随着辐照通量的增加,电荷收集值减少;(4)增加电压会使电荷收集量增加,但最终电荷收集值趋于饱和;(5)电极间距减少会增加电荷收集值。同时我们也对任意位置入射的粒子产生的平均电荷进行了估计。文章中提出的电荷收集计算方法新颖,可为其他器件的电荷收集模型提供借鉴,而对该新型硅探测器电荷收集的模拟将对未来高能物理实验或核物理实验中的该型探测器的应用提供重要参考。
【图文】：

0 0eff图 5.13(b)仿真了正方形三维沟槽电极探测器在不同质子辐照通量下的平均收集电荷值。(3) 正六边形三维沟槽电极平均收集电荷。如图 5.14(a)所示，正六边形三维沟槽探测器的表面有效面积 Seff为：2 203 3( - )2effS R r(5-14)电极连线 r0-R 上 MIP 收集电荷的线密度为 Q(r)，再次利用和以上沟槽探测器平均电荷相同的求法(对微小六边环形上产生的电荷沿对角线方向上积分)，，求得单个 MIP 粒子入射到正六边形三维沟槽探测器上产生的平均电荷Q 为：0 02 22 2003 3 ( ) 2 ( )3 3 ( )2R Rr reffn Q r rdr Q r rdrQQn S n R rR r (5-15)图 5.14(b)仿真了正六边形三维沟槽电极探测器在不同质子辐照通量下的平均收集电荷值。

0 0eff图 5.13(b)仿真了正方形三维沟槽电极探测器在不同质子辐照通量下的平均收集电荷值。(3) 正六边形三维沟槽电极平均收集电荷。如图 5.14(a)所示，正六边形三维沟槽探测器的表面有效面积 Seff为：2 203 3( - )2effS R r(5-14)电极连线 r0-R 上 MIP 收集电荷的线密度为 Q(r)，再次利用和以上沟槽探测器平均电荷相同的求法(对微小六边环形上产生的电荷沿对角线方向上积分)，求得单个 MIP 粒子入射到正六边形三维沟槽探测器上产生的平均电荷Q 为：0 02 22 2003 3 ( ) 2 ( )3 3 ( )2R Rr reffn Q r rdr Q r rdrQQn S n R rR r (5-15)图 5.14(b)仿真了正六边形三维沟槽电极探测器在不同质子辐照通量下的平均收集电荷值。
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TL814

【参考文献】

相关期刊论文 前1条

1 张肇西;;欧洲大型强子对撞机LHC的物理[J];现代物理知识;2008年05期

本文编号：2669945