摘要：介紹了3種常見(jiàn)的新型半導(dǎo)體探測(cè)器，即硅微條探測(cè)器、電制冷半導(dǎo)體探測(cè)器和微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中子探測(cè)器，對(duì)這3種探測(cè)器的工作原理及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)等進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：硅微條探測(cè)器;電制冷半導(dǎo)體;微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中子探測(cè)器

0 引言

近年來(lái)核工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展迅速，各類核探測(cè)器，如半導(dǎo)體探測(cè)器、氣體探測(cè)器、閃爍探測(cè)器等研究也取得了新進(jìn)展[1]。其中，以半導(dǎo)體為介質(zhì)的探測(cè)器相比其他類型探測(cè)器具有明顯的優(yōu)勢(shì)。市場(chǎng)上常見(jiàn)的半導(dǎo)體探測(cè)器主要采用鍺和硅等半導(dǎo)體作為介質(zhì)，半導(dǎo)體探測(cè)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(dǎo)體探測(cè)器已經(jīng)在高能物理等領(lǐng)域展現(xiàn)出了極高的應(yīng)用價(jià)值[2]。

正常來(lái)講，半導(dǎo)體探測(cè)器在能量分辨率方面要遠(yuǎn)勝于氣體和閃爍探測(cè)器，這一特性是由其特殊結(jié)構(gòu)決定的。半導(dǎo)體探測(cè)器一共有兩個(gè)電極，粒子進(jìn)入敏感區(qū)域時(shí)，會(huì)有電子-空穴對(duì)形成[3]。當(dāng)在兩個(gè)電極施加偏壓后，電子就會(huì)向兩極漂移，收集電極上就會(huì)感應(yīng)到電荷，進(jìn)而在外電路中產(chǎn)生脈沖信號(hào)[4]。有研究顯示，半導(dǎo)體探測(cè)器中產(chǎn)生電子-空穴對(duì)所需的平均能量?jī)H為傳統(tǒng)氣體電離探測(cè)器的1/10，因此其能量分辨率也更高。除此之外，新型半導(dǎo)體探測(cè)器還具備體積小、響應(yīng)時(shí)間短、位置分辨率高等特點(diǎn)，使得新型半導(dǎo)體探測(cè)器在高能物理等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[5]。

1 硅微條探測(cè)器研究進(jìn)展

硅微條探測(cè)器誕生于20世紀(jì)80年代，硅微條最小可以達(dá)到20～100 μm。硅微條探測(cè)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(yīng)時(shí)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(jīng)逐步發(fā)展到納米級(jí)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(guó)家已經(jīng)將硅微條探測(cè)器應(yīng)用于徑跡測(cè)量，以替代傳統(tǒng)的漂移室[6]。

硅微條探測(cè)器根據(jù)讀出的信號(hào)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(jié)研制而成。有學(xué)者通過(guò)DUT實(shí)驗(yàn)測(cè)出硅微條探測(cè)器空間分辨率為1.4 μm，隨后其他的研究應(yīng)用微條間隙為25 μm的硅微條探測(cè)器，測(cè)得其空間分辨率為1.25 μm[7]。在國(guó)內(nèi)外研究基礎(chǔ)上，我國(guó)物理學(xué)家研制出了AC耦合硅微條探測(cè)器，該探測(cè)器相比DC耦合硅微條探測(cè)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(yīng)時(shí)間更短，抗輻射性能也更好[8]。因此，綜合看來(lái)AC耦合硅微條探測(cè)器具有十分廣闊的應(yīng)用前景。硅微條探測(cè)器如圖1所示。

2 電制冷半導(dǎo)體探測(cè)器研究進(jìn)展

電制冷半導(dǎo)體探測(cè)器的特點(diǎn)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(dǎo)體（N型和P型各一塊）組成電偶回路，接通電源有電流通過(guò)時(shí)，電偶會(huì)發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，即產(chǎn)生吸熱或放熱反應(yīng)，達(dá)到制冷或制熱的目的[9]。將多個(gè)電偶元件采用串聯(lián)的方式連接起來(lái)，就會(huì)產(chǎn)生不錯(cuò)的制冷或制熱效果。有學(xué)者對(duì)比了電制冷探測(cè)器和液氮探測(cè)器的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)果顯示，電制冷探測(cè)器探測(cè)效率更高，響應(yīng)時(shí)間也更短，同時(shí)能夠很好地克服傳統(tǒng)探測(cè)器在低溫條件下無(wú)法正常使用和保存的缺點(diǎn)，使其應(yīng)用范圍更加廣闊。據(jù)相關(guān)研究表明，電制冷探測(cè)器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于火星成分及海底成分探測(cè)等領(lǐng)域中[10]。電制冷半導(dǎo)體探測(cè)器如圖2所示。

3 微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中子探測(cè)器研究進(jìn)展

微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中子探測(cè)器最早是由國(guó)外學(xué)者于1987年提出的，這一概念的提出開(kāi)辟了半導(dǎo)體探測(cè)器的應(yīng)用新領(lǐng)域，這一年全球核電子學(xué)得到了飛速發(fā)展，微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中子探測(cè)器展現(xiàn)出了極高的應(yīng)用價(jià)值。微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中子探測(cè)器的原理是通過(guò)次級(jí)帶電粒子累積能量形成電子-空穴對(duì)實(shí)現(xiàn)中子探測(cè)。有學(xué)者于2001年采用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)制造出了新型微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體探測(cè)器，與傳統(tǒng)半導(dǎo)體探測(cè)器相比，其探測(cè)效率明顯提高[11]。此后又有學(xué)者對(duì)目前市售半導(dǎo)體中子探測(cè)器進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，若在特定結(jié)構(gòu)頂部區(qū)域反應(yīng)時(shí)即可探測(cè)出兩種中子，這也表明這類特定結(jié)構(gòu)應(yīng)用于半導(dǎo)體中子探測(cè)器是可行的。有學(xué)者對(duì)3種不同構(gòu)型，即柱狀、溝槽狀以及孔狀結(jié)構(gòu)的中子探測(cè)器進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示，孔狀結(jié)構(gòu)的中子探測(cè)器穩(wěn)定性最好[12]。目前越來(lái)越多的研究集中于提高探測(cè)器的探測(cè)效率，這也是實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體探測(cè)器產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中子探測(cè)器如圖3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

半導(dǎo)體探測(cè)器在核物理、高能物理以及半導(dǎo)體物理等領(lǐng)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(dǎo)體探測(cè)器不斷被研制出來(lái)，滿足了各類物理實(shí)驗(yàn)不斷增加的探測(cè)需求。本文主要介紹了3種常見(jiàn)的新型半導(dǎo)體探測(cè)器，即硅微條探測(cè)器、電制冷半導(dǎo)體探測(cè)器和微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中子探測(cè)器，從目前的研究進(jìn)展來(lái)看，相比傳統(tǒng)探測(cè)器，新型半導(dǎo)體探測(cè)器具有明顯的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景十分廣闊。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 劉雪，王是淇，張明旭，等.電致冷高純鍺γ譜儀系統(tǒng)的管理與維護(hù)[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2019，22（5）：183-186.

[2] 吳見(jiàn)平，熊平戩，黃鋒鋒.利用半導(dǎo)體致冷器擴(kuò)展光通信系統(tǒng)溫度范圍[J].大眾科技，2019，21（5）：19-21.

[3] 韋家駒.用于空間天文的硅微條探測(cè)器原型樣機(jī)研制[J].核技術(shù)，2018，41（12）：47-54.

[4] 李振，沈志輝，甘雷.微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中子探測(cè)器研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代應(yīng)用物理，2017，8（2）：25-29.

[5] 于保寧.硅基微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中子探測(cè)器的工藝研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2017.

[6] 李榮華，李占奎，李海霞，等.大面積硅微條探測(cè)器的研制[C]//中國(guó)核科學(xué)技術(shù)進(jìn)展報(bào)告（第四卷）——中國(guó)核學(xué)會(huì)2015年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集第9冊(cè)（核技術(shù)經(jīng)濟(jì)與管理現(xiàn)代化分卷、核電子學(xué)與核探測(cè)技術(shù)分卷、核測(cè)試與分析分卷），2015：187-191.

[7] 吳健，甘雷，蔣勇，等.溝槽型硅微結(jié)構(gòu)中子探測(cè)器的蒙特卡羅模擬研究[J].強(qiáng)激光與粒子束，2015，27（8）：204-209.

[8] 楊磊.AC耦合硅微條探測(cè)器的研制[D].蘭州：中國(guó)科學(xué)院研究生院（近代物理研究所），2014.

[9] 呂軍，侯新生.新型電致冷半導(dǎo)體探測(cè)器的應(yīng)用[J].物探與化探，2006（4）：374-376.

[10] BUECHEL R R，HERZOG B A，HUSMANN L，et al.Ultrafast nuclear myocardial perfusion imaging on a new gamma camera with semiconductor detector technique：first clinical validation[J].European journal of nuclear medicine and molecular imaging，2010，37（4）：773-778.

[11] TERASAKI K，F(xiàn)UJIBUCHI T，MURAZAKI H，et al.Evaluation of basic characteristics of a semiconductor detector for personal radiation dose monitoring[J].Radiological physics and technology，2017，10（2）：189-194.

[12] TERESHCHENKO E E，RASKO M A.Determination of the cascade summation coefficients of gamma quanta for a semiconductor detector in the 59-2754 keV range[J].Measurement Techniques，2006，49（9）：932-938.

收稿日期：2020-04-01

作者簡(jiǎn)介：劉年?。?998—），男，湖北荊州人，研究方向：核工程與核技術(shù)。