摘要：介紹了3種常見的新型半導體探測器，即硅微條探測器、電制冷半導體探測器和微結構半導體中子探測器，對這3種探測器的工作原理及應用優(yōu)勢等進行了分析。

關鍵詞：硅微條探測器;電制冷半導體;微結構半導體中子探測器

0 引言

近年來核工業(yè)領域發(fā)展迅速，各類核探測器，如半導體探測器、氣體探測器、閃爍探測器等研究也取得了新進展[1]。其中，以半導體為介質的探測器相比其他類型探測器具有明顯的優(yōu)勢。市場上常見的半導體探測器主要采用鍺和硅等半導體作為介質，半導體探測器的工作原理類似于氣體電離室，因此又被稱為固體電離室。目前，硅微條、硅漂移以及CCD等新型半導體探測器已經在高能物理等領域展現(xiàn)出了極高的應用價值[2]。

正常來講，半導體探測器在能量分辨率方面要遠勝于氣體和閃爍探測器，這一特性是由其特殊結構決定的。半導體探測器一共有兩個電極，粒子進入敏感區(qū)域時，會有電子-空穴對形成[3]。當在兩個電極施加偏壓后，電子就會向兩極漂移，收集電極上就會感應到電荷，進而在外電路中產生脈沖信號[4]。有研究顯示，半導體探測器中產生電子-空穴對所需的平均能量僅為傳統(tǒng)氣體電離探測器的1/10，因此其能量分辨率也更高。除此之外，新型半導體探測器還具備體積小、響應時間短、位置分辨率高等特點，使得新型半導體探測器在高能物理等領域得到了廣泛應用[5]。

1 硅微條探測器研究進展

硅微條探測器誕生于20世紀80年代，硅微條最小可以達到20～100 μm。硅微條探測器不僅具備較高的能量分辨率和位置分辨率，還有較寬的能量線性范圍，響應時間較短。隨著微電子工藝的不斷發(fā)展，微電子器件尺寸已經逐步發(fā)展到納米級別，硅微條也被做得更小，甚至可以被集成到電子器件中。目前許多國家已經將硅微條探測器應用于徑跡測量，以替代傳統(tǒng)的漂移室[6]。

硅微條探測器根據讀出的信號差別，可將其分為單邊和雙邊讀出的硅微條，這兩種硅微條都是基于P-N結研制而成。有學者通過DUT實驗測出硅微條探測器空間分辨率為1.4 μm，隨后其他的研究應用微條間隙為25 μm的硅微條探測器，測得其空間分辨率為1.25 μm[7]。在國內外研究基礎上，我國物理學家研制出了AC耦合硅微條探測器，該探測器相比DC耦合硅微條探測器具有更高的空間和能量分辨率，能量線性范圍也更寬，且響應時間更短，抗輻射性能也更好[8]。因此，綜合看來AC耦合硅微條探測器具有十分廣闊的應用前景。硅微條探測器如圖1所示。

2 電制冷半導體探測器研究進展

電制冷半導體探測器的特點在于其制冷方式，不同于傳統(tǒng)壓縮氣體制冷以及磁制冷等方法，它采用的是最新的熱電制冷方式。熱電制冷的原理是利用兩塊半導體（N型和P型各一塊）組成電偶回路，接通電源有電流通過時，電偶會發(fā)生能量轉移，即產生吸熱或放熱反應，達到制冷或制熱的目的[9]。將多個電偶元件采用串聯(lián)的方式連接起來，就會產生不錯的制冷或制熱效果。有學者對比了電制冷探測器和液氮探測器的優(yōu)缺點，結果顯示，電制冷探測器探測效率更高，響應時間也更短，同時能夠很好地克服傳統(tǒng)探測器在低溫條件下無法正常使用和保存的缺點，使其應用范圍更加廣闊。據相關研究表明，電制冷探測器已經廣泛應用于火星成分及海底成分探測等領域中[10]。電制冷半導體探測器如圖2所示。

3 微結構半導體中子探測器研究進展

微結構半導體中子探測器最早是由國外學者于1987年提出的，這一概念的提出開辟了半導體探測器的應用新領域，這一年全球核電子學得到了飛速發(fā)展，微結構半導體中子探測器展現(xiàn)出了極高的應用價值。微結構半導體中子探測器的原理是通過次級帶電粒子累積能量形成電子-空穴對實現(xiàn)中子探測。有學者于2001年采用反應離子刻蝕技術制造出了新型微結構半導體探測器，與傳統(tǒng)半導體探測器相比，其探測效率明顯提高[11]。此后又有學者對目前市售半導體中子探測器進行了模擬實驗，結果顯示，若在特定結構頂部區(qū)域反應時即可探測出兩種中子，這也表明這類特定結構應用于半導體中子探測器是可行的。有學者對3種不同構型，即柱狀、溝槽狀以及孔狀結構的中子探測器進行了模擬實驗研究，結果顯示，孔狀結構的中子探測器穩(wěn)定性最好[12]。目前越來越多的研究集中于提高探測器的探測效率，這也是實現(xiàn)半導體探測器產業(yè)化應用的關鍵。微結構半導體中子探測器如圖3所示。

4 結語

半導體探測器在核物理、高能物理以及半導體物理等領域發(fā)揮著重要作用。隨著微電子工藝的飛速發(fā)展，各類新型半導體探測器不斷被研制出來，滿足了各類物理實驗不斷增加的探測需求。本文主要介紹了3種常見的新型半導體探測器，即硅微條探測器、電制冷半導體探測器和微結構半導體中子探測器，從目前的研究進展來看，相比傳統(tǒng)探測器，新型半導體探測器具有明顯的優(yōu)勢，應用前景十分廣闊。

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收稿日期：2020-04-01

作者簡介：劉年?。?998—），男，湖北荊州人，研究方向：核工程與核技術。