東華理工大學(xué) 馬 駿

用于微電子化計(jì)量?jī)x的半導(dǎo)體探測(cè)器特性研究

東華理工大學(xué) 馬 駿

人類對(duì)于半導(dǎo)體的研究和應(yīng)用已經(jīng)有相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，特別是在社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的今天，半導(dǎo)體技術(shù)的應(yīng)用廣度和深度都有了較大的提升。作為科技不斷創(chuàng)新發(fā)展的產(chǎn)物，半導(dǎo)體技術(shù)在電子技術(shù)領(lǐng)域存在大量結(jié)合點(diǎn)，本文中筆者結(jié)合微電子化劑量?jī)x展開研究，結(jié)合半導(dǎo)體探測(cè)器的特性，提出一些試驗(yàn)方法，以供廣大研究者參考借鑒。

微電子化計(jì)量?jī)x；半導(dǎo)體探測(cè)器；特性研究；試驗(yàn)方法

0 引語(yǔ)

半導(dǎo)體技術(shù)近年來被運(yùn)用于多種領(lǐng)域，尤其是在核輻射探測(cè)器方面的運(yùn)用，將半導(dǎo)體技術(shù)的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮得淋漓盡致，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。近年來，細(xì)數(shù)將半導(dǎo)體技術(shù)引入核輻射探測(cè)器領(lǐng)域的過程，我國(guó)的相關(guān)科研單位耗費(fèi)了大量的人力、財(cái)力和物力。隨著時(shí)代的發(fā)展，深化半導(dǎo)體材料和技術(shù)在核輻射探測(cè)器的運(yùn)用研究將繼續(xù)為我國(guó)的科技發(fā)展提供重要支持。結(jié)合本文研究方向，擬從半導(dǎo)體探測(cè)器特性的實(shí)驗(yàn)研究層面展開，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)討論。

1 半導(dǎo)體探測(cè)器的內(nèi)涵

半導(dǎo)體探測(cè)器以其高效、實(shí)用、成本低、性能穩(wěn)定等特性，目前在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。明確半導(dǎo)體探測(cè)器的內(nèi)涵概念，能夠深化我們對(duì)半導(dǎo)體探測(cè)器的了解，為接下來的更深入的探究工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。接下來筆者就從半導(dǎo)體探測(cè)器的概念及發(fā)展歷程兩個(gè)方面來粗淺剖析半導(dǎo)體探測(cè)器的內(nèi)涵：

1.1 半導(dǎo)體探測(cè)器的概念

顧名思義，半導(dǎo)體探測(cè)器就是利用半導(dǎo)體材料和特點(diǎn)研發(fā)的探測(cè)設(shè)備。結(jié)合原理分析，半導(dǎo)體探測(cè)器是一種通過鍺、硅等半導(dǎo)體材料物理屬性、并利用其作為探測(cè)介質(zhì)的輻射探測(cè)器。由于半導(dǎo)體探測(cè)器的工作原理和氣體電離室有諸多相似之處，因此半導(dǎo)體探測(cè)器也被稱之為固體電離室。

從技術(shù)原理的層面來講，半導(dǎo)體探測(cè)器的工作原理是在半導(dǎo)體探測(cè)器的靈敏體積內(nèi)帶電粒子產(chǎn)生“電子——空穴對(duì)”，之后“電子——空穴對(duì)”在外電場(chǎng)環(huán)境下做出漂移繼而產(chǎn)生并輸出信號(hào)。經(jīng)過大量科學(xué)家的研究，半導(dǎo)體探測(cè)器誕生至今，經(jīng)過不斷的技術(shù)概念和材料改良，目前性能和效用已經(jīng)十分優(yōu)良。

1.2 半導(dǎo)體探測(cè)器的發(fā)展歷程

半導(dǎo)體技術(shù)在核輻射探測(cè)器方面的應(yīng)用分為幾個(gè)階段：第一個(gè)階段是八十年代之前。當(dāng)時(shí)的探測(cè)器受到技術(shù)技術(shù)條件和認(rèn)知的影響，最為常見的探測(cè)器是GM計(jì)數(shù)管探測(cè)器。這種GM計(jì)數(shù)管探測(cè)器的產(chǎn)品性能和效果并不理想。隨著技術(shù)的不斷更新和科學(xué)家探索的深入。第二個(gè)階段是九十年代之后，在法國(guó)、德國(guó)出現(xiàn)了用半導(dǎo)體材料作探測(cè)器的小型劑量?jī)x器。至此，半導(dǎo)體技術(shù)正式被應(yīng)用于探測(cè)器領(lǐng)域。這種半導(dǎo)體探測(cè)器具有體積小、工作電壓低、耗能少等優(yōu)勢(shì)，這些特點(diǎn)為半導(dǎo)體探測(cè)器的應(yīng)用空間和范圍奠定了良好基礎(chǔ)。

2 用于微電子化計(jì)量?jī)x的半導(dǎo)體探測(cè)器特性的實(shí)驗(yàn)方法

為了進(jìn)一步地探究半導(dǎo)體探測(cè)器的特性，更明確地了解并認(rèn)知其優(yōu)勢(shì)，筆者通過一組實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行說明。在這一實(shí)驗(yàn)中筆者所用的半導(dǎo)體測(cè)試器是目前業(yè)界內(nèi)比較新型的設(shè)備，它是筆者單位和某原子能科學(xué)研究院合理研發(fā)的。實(shí)驗(yàn)中與半導(dǎo)體探測(cè)器相連接的電力屬于微電子學(xué)混合電路。下面筆者對(duì)實(shí)驗(yàn)方法（如圖2.1所示）作詳細(xì)的論述與分析：

圖2.1 實(shí)驗(yàn)示意圖

考慮到夜晚的干擾信號(hào)比白天小很多，因此我們?cè)谧龃藢?shí)驗(yàn)時(shí)選擇在了晚上的時(shí)間段。為了處理好半導(dǎo)體探測(cè)器特性實(shí)驗(yàn)中噪音大的問題，本次實(shí)驗(yàn)所選擇的單道閾值是0.21V。在實(shí)驗(yàn)中，主放大倍數(shù)為50積分、微分常數(shù)為0.5μs。定標(biāo)器的工作方式為積分，脈沖為正脈沖方式。基于上述這些情況，我們的“用于微電子化計(jì)量?jī)x的半導(dǎo)體探測(cè)器特性”實(shí)驗(yàn)研究正式開始。

3 用于微電子化計(jì)量?jī)x的半導(dǎo)體探測(cè)器特性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理

關(guān)于特性研究實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理方式，筆者對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的記錄。筆者將半導(dǎo)體的探測(cè)器面積分為10平方豪米、25平方毫米和50平方毫米三種數(shù)據(jù)類型來進(jìn)行測(cè)驗(yàn)。

第一，半導(dǎo)體探測(cè)器的面積為10平方毫米，98型的半導(dǎo)體探測(cè)器輻射響應(yīng)特性的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3.1、3.2所示，圖中所反映出來的數(shù)據(jù)指標(biāo)是偏壓為1V和3V的情況下，98型號(hào)的半導(dǎo)體探測(cè)器中凈計(jì)數(shù)和劑量率之間的關(guān)系；99型的半導(dǎo)體探測(cè)器所反饋的實(shí)驗(yàn)曲線如圖3.3、3.4所示，98型半導(dǎo)體探測(cè)器的輻射響應(yīng)特性數(shù)據(jù)如圖3.5、3.6所示。圖中所反映出來的數(shù)據(jù)指標(biāo)是偏壓為1V和3V的情況下，98型號(hào)的半導(dǎo)體探測(cè)器中凈計(jì)數(shù)和劑量率之間的關(guān)系。

第二，當(dāng)半導(dǎo)體探測(cè)器的面積增加到25平方毫米之后，99型的半導(dǎo)體探測(cè)器輻射響應(yīng)特性的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3.5、3.6所示，圖中所反映出來的數(shù)據(jù)指標(biāo)是偏壓為1V和3V的情況下，99型號(hào)的半導(dǎo)體探測(cè)器中凈計(jì)數(shù)和劑量率之間的關(guān)系?；谙盗袑?shí)驗(yàn)分析，當(dāng)半導(dǎo)體探測(cè)器的面積從10平方豪米增加到25平方毫米，在遞增到50平方毫米的過程中，在不同的偏壓下，98型和99型的半導(dǎo)體探測(cè)器的凈計(jì)數(shù)率在0.869cGy/h點(diǎn)上，半導(dǎo)體探測(cè)器的型號(hào)和探測(cè)器偏壓的關(guān)系如表1所示。

在表中，在照射量率為均為1的情況下，當(dāng)半導(dǎo)體探測(cè)器的偏壓設(shè)定為1V時(shí)，探測(cè)面積為10平方毫米的98型探測(cè)器的凈計(jì)數(shù)率是68.2，探測(cè)面積為25平方毫米的98型探測(cè)器的凈計(jì)數(shù)率是104.0；探測(cè)面積為50平方毫米的98型探測(cè)器的凈計(jì)數(shù)率是181.7，探測(cè)面積為10平方毫米的99型探測(cè)器的凈計(jì)數(shù)率是125.3。當(dāng)半導(dǎo)體探測(cè)器的偏壓設(shè)定為3V時(shí)，探測(cè)面積為10平方毫米的98型探測(cè)器的凈計(jì)數(shù)率是90.4，探測(cè)面積為25平方毫米的98型探測(cè)器的凈計(jì)數(shù)率是167.6；探測(cè)面積為50平方毫米的98型探測(cè)器的凈計(jì)數(shù)率是316.4，探測(cè)面積為10平方毫米的99型探測(cè)器的凈計(jì)數(shù)率是178.6。

表1 不同偏壓下的98和99型號(hào)半導(dǎo)體探測(cè)器靈敏度一覽表

4 用于微電子化計(jì)量?jī)x的半導(dǎo)體探測(cè)器特性的結(jié)果與討論

通過上述關(guān)于不同型號(hào)半導(dǎo)體探測(cè)器在不同輻射面積中輻射響應(yīng)特性等相關(guān)數(shù)據(jù)的分析我們可以得出如下三個(gè)方面的結(jié)論：

第一，該半導(dǎo)體探測(cè)器的工作電壓相對(duì)較低，對(duì)γ響應(yīng)十分敏感。當(dāng)“用于微電子化計(jì)量?jī)x的半導(dǎo)體探測(cè)器特性研究”的實(shí)驗(yàn)電壓在1V—3V單偏壓電源數(shù)據(jù)之間變動(dòng)時(shí)，半導(dǎo)體探測(cè)器的靈敏度能夠在68-316S/(R/h)區(qū)間進(jìn)行變化。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與反饋，總體來講，輻射面積為10平方毫米的99型探測(cè)器性能比輻射面積為10平方毫米的98型探測(cè)器性能優(yōu)良。在同樣的實(shí)驗(yàn)條件中，用來測(cè)定DM91的輻射面積為10平方毫米的半導(dǎo)體探測(cè)器靈敏度情況如下：當(dāng)實(shí)驗(yàn)偏壓為1V時(shí)，10平方毫米的半導(dǎo)體探測(cè)器靈敏度為87.2；當(dāng)實(shí)驗(yàn)偏壓為3V時(shí)，10平方毫米的半導(dǎo)體探測(cè)器靈敏度是1.8。對(duì)比關(guān)于試驗(yàn)偏壓和不同輻射面積的半導(dǎo)體探測(cè)器靈敏度的這幾組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們可以得出如下結(jié)論：輻射面積為10平方毫米的99型半導(dǎo)體探測(cè)器敏感度性能相比較國(guó)外輻射面積為10平方毫米的半導(dǎo)體探測(cè)器，在對(duì)γ輻射方面的靈敏度方面性能要高出很多。也就是說我們目前的輻射面積為10平方毫米的半導(dǎo)體探測(cè)器性能已經(jīng)達(dá)到并超出國(guó)外同類探測(cè)器的水平。

第二，從噪音閾值的層面來講，本次實(shí)驗(yàn)中所采用的半導(dǎo)體探測(cè)器噪音極小，這種小分貝的噪音數(shù)值可以顯著提升信噪比，這種情況可以促進(jìn)微電子學(xué)設(shè)計(jì)工作的更好開展。這一點(diǎn)在微電子化計(jì)量?jī)x的半導(dǎo)體探測(cè)器特性實(shí)驗(yàn)中雖然是一個(gè)細(xì)節(jié)，但也應(yīng)當(dāng)充分引起我們的注意和重視。

第三，本次“用于微電子化計(jì)量?jī)x的半導(dǎo)體探測(cè)器特性”實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)探測(cè)器的屏蔽材質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，其抗干擾能力也會(huì)有明顯改變。這一現(xiàn)象表明在實(shí)驗(yàn)室中，空間的電磁干擾因素需要引起實(shí)驗(yàn)者的重視。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，半導(dǎo)體探測(cè)器在當(dāng)前多種行業(yè)中所發(fā)揮的作用不容忽視，為了探究“用于微電子化計(jì)量?jī)x的半導(dǎo)體探測(cè)器特性”，筆者通過開展一項(xiàng)專題實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行闡述與說明，在上述文段中，筆者不僅對(duì)實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行羅列和描述，還對(duì)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)及處理進(jìn)行對(duì)比分析，并有針對(duì)性地提出自己的見解。通過上述實(shí)驗(yàn)的分析，筆者希望能夠喚起更多業(yè)界同行對(duì)于半導(dǎo)體探測(cè)器特性的關(guān)注，通過群策群力，為促進(jìn)半導(dǎo)體探測(cè)器的運(yùn)用水平貢獻(xiàn)力量。

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