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1、硅微条探测器SiliconStripDetector祝成光2004年3月15日星期一硅微条探测器的位置分辨率可好于1.4μm,这是任何气体探测器和闪烁探测器很难作到的。硅微条探测器的特点随着半导体技术的迅速发展，半导体粒子探测器也有了很大的发展。其中,硅微条探测器SMD(SiliconMicrostripDetector)的发展和应用是非常突出的一个。近十几年来,世界各大高能物理实验室几乎都采用它作为顶点探测器：ATLAS和CMS作为探测粒子径迹的径迹室(tracker)。在核医学领域的CT和其它数字化图像方面的应用研究,也有了很多新的进展。非常好的位置分辨率
2、这是硅微条探测器最突出的特点。它的位置分辨率是目前应用的各种探测器中最高的,目前可做到1.4μm。主要因为固体的密度比气体大100倍左右,带电粒子穿过探测器,产生的电子2空穴对(e-h)的密度非常高,大约为110e-h/μm。另外由于现代半导体技术工艺,光刻技术及高集成度低噪声读出电子学的飞速发展,每个读出条可对应一路读出电子学,更有利于空间分辨率的提高。很高的能量分辨率半导体探测器的能量分辨率比气体探测器大约高一个数量级,比闪烁计数器高得更多。这是因为在硅半导体中电离产生一对电子2空穴对(e-h)只需要3eV左右的能量,而气体中产生一对离子对所需能量大约为3
3、0eV,塑料闪烁探测器在光阴极上产生一个光电子需要的能量大约为300eV。带电粒子在硅半导体中的能量损失也很高,在硅晶体中,能量损失大约390eV/μm。因此,同样能量的带电粒子在半导体中产生的电子2空穴对数要比气体中产生的离子对高一个数量级以上。这样电荷数的相对统计涨落也比气体小很多。很宽的线性范围由于在一定能量范围内,半导体的平均电离能与入射粒子的基本能量无关,故半导体探测器具有很好的线性,很宽的线性范围。非常快的响应时间在半导体探测器中,由于采用微电子工艺的半导体探测器很薄,它的电荷在很小的区域里收集,响应时间非常快,一般可达到5ns左右。因此,可以实现
4、高计数率,可超过108/cm2·s。体积可做得很小由于硅半导体密度大,有一定的刚度,它可以做得很薄并能自身支持,典型的厚度是300μm左右,当带电粒子穿过时,大约可产生3.2×104电子-空穴对。有的还可做得更薄,整个探测器可以作得很小。硅微条探测器的缺点对辐射损伤比较灵敏,如果受到强辐射其性能将变差。但各国科学家就此问题从技术上正在进行不断地改进提高。硅微条探测器的结构和工作原理从探测器横截面上看,主要分这样几个部分:探测器表面:有薄铝条,SiO2隔离条,铝条下边是重掺p+条。中间部分:是厚度大约为300μm的高阻n型硅基,作为探测器的灵敏区。底部:是n型硅
5、掺入砷(As)形成重掺杂n+层和铝薄膜组成的探测器的背衬电极。微条(strips)是探测器的信号读出条,它的宽窄和间距将影响探测器的空间分辨率。保护环(Guardrings)在探测器的四周,起到屏蔽保护作用,使探测器降低了噪声,提高了抗辐射能力。多晶硅偏压电阻(Poly-siliconbiasresistors)是集成在硅片上的,它对于每个微条起保护作用，可以降低漏电流,从而降低噪声。偏压连接带(Biastrace)是连接偏压电源到每一个微条的连接带。直流接触片(DCcontactpad)是作直流耦合输出的接触点。交流接触片(ACcontactpads)是交流
6、耦合输出的接触点,一般信号读出是通过它们连到前置放大器的。硅微条探测器的等效电路图。Cs为两个相邻微条之间的电容，Cb为每个微条与探测器背面之间电容，Cp为信号交流耦合输出的隔直电容，Cfb为电荷灵敏前置放大器的反馈电容，Rp为多晶硅偏压电阻,图中的每个p－n结相当于每一根读出微条微结构。硅微条探测器是在一个n型硅片的表面上,通过氧化和离子注入法,局部扩散法,表面位垒法及光刻等技术工艺制作成的。其表面是均匀平行的附有一层铝膜的重搀杂p+微条。n型硅片的整个底面掺入杂质后,制成n型重搀杂n+层,其外层也附有一层铝,作为电极接触。这样制成了表面均匀条形的pn结型单
7、边读出的探测器。中间部分的耗尽层是探测器的灵敏区,当在这些条型pn结加上负偏压时,耗尽层在外加电场的作用下,随着电压升高而变厚。当电压足够高,耗尽层几乎扩展到整个n-型硅片,基本达到了全耗尽,死层变得非常薄。因为其内部可移动的载流子密度很低,电阻率很高,漏电流非常小(好的硅微条探测器漏电流小于100pA)。外加电压几乎全部加到耗尽区上,形成很高的电场,。在无辐射电离时,基本没有信号产生。当有带电粒子穿过探测器的灵敏区时,将产生电子－空穴对,在高电场的作用下,电子向正极(底板)漂移,空穴向靠近径迹的加负偏压的微条漂移，在这很小的区域内(探测器厚度在300μm左右
8、)收集电荷只需很短的时间(5ns左右)
