《微结构半导体中子探测器的理论和性能参数综述》1700字

微结构半导体中子探测器的理论和性能参数综述1.1微结构半导体中子探测器理论中子探测器工作原理实际是PN结二极管在反向偏压下的工作。因为中子对外不显电性，没有办法把中子直接探测发现，只有将中子和其他物质反应，产生可以被探测的物质，这样就可以间接探测到中子。如图2-1REF_Ref71382723\r\h[20]所示，为平面型半导体中子探测器的原型图，当入射的中子与涂抹在器件表面的转化层进行反应时，产生带电粒子。而当在PN结上加一定负电压时，耗尽区会最终达到全耗尽，此时死区非常薄，反向的电压差不多都加在了PN结上，形成的电场能量特别高。PN结的灵敏区里，中子反应后的粒子电离，会产生新的电子-空穴对。两种粒子未复合，分开移动，两侧电极收集不同的粒子，会形成对应的信号，从数量上来说，这种新形成的信号和电子-空穴对正相关。图2-1平面型半导体中子探测器原理图REF_Ref71382723\r\h[20]中子是否发生反应在概率上和转化层物质的薄厚有很大关系，而转化层厚度并不是越厚越好，一旦过厚就会导致粒子在未与半导体材料接触，就被过多的转化层物质影响吸收，而失去原有的作用，进一步地，就会影响探测的效率。而MSND使用半导体微加工的工艺，在半导体表面蚀刻出微结构，然后填充转化层物质，如图2-2所示REF_Ref71382723\r\h[20]，MSND的好处就在于器件和转化层接触机会更多，粒子存在于灵敏区的机会也会随之变大，在不过多地增加转化层厚度的前提下，也可以让探测器的效率得到明显的提升，效果显著。图2-2微结构半导体中子探测器原理图REF_Ref71382723\r\h[20]对于常规的半导体中子探测器，由于材料的电阻率与PN结击穿电压的限制，想要制备一个灵敏度厚度大于2mm的探测器很困难。并且探测器的探测效率、灵敏度等指标都和灵敏层厚度直接相关，所以，要实现高性能探测器就不得不增加灵敏区厚度，一种可行方法是制备PIN结型半导体探测器。图2-3PIN结的电场、电势分布图REF_Ref71382203\r\h[13]如图2-3（a）所示REF_Ref71382203\r\h[13]，PIN由P型和N型的半导体材料之间，加入一层I型半导体构成，这种半导体具有本征电阻率，图2-3（b）和（c）所示REF_Ref71382203\r\h[13]，一般PIN的电场、电势分布图如下图。因为整个I区差不多都处在耗尽状态，电阻率远大于P区与N区，外加电场几乎都加在I区，故它的边界电场很快降为0，所以可获得的灵敏区大于10mm，而且厚度几乎不随着外加偏压变化。1.2微结构中子探测器的性能参数1.1.1电流电压特性对于一个优质的探测器来说，良好的I-V特性是必须的条件，也是鉴定工艺和辨别好坏的一个简单方法，是探测器重要参数之一。探测器的I-V特性包括正向I-V特性和反向I-V特性。正向I-V特性中的正向电流是指探测器P区接一定正向电压、N区接地时的电流，数值一般和正向电压成正比。而PIN二极管中的正向电流的组成成分如图2-4REF_Ref71558592\r\h[21]所示，包括I区内部的扩散而注入到N区的空穴电流的密度、注入到P区电子的电流密度以及I区发生复合的电流密度所组成。在众多影响正向电流的因素中，有关欧姆接触的一些特性影响最为明显，过大的接触电阻会导致电流变得与正常的电流相比更小，而这会在实际的应用和使用中对探测器的一系列性能产生比较严重的负面影响。图2-4PIN二极管正向电流成分REF_Ref71558592\r\h[21]反向I-V特性中的反向电流大多是表面漏电流和体电流的结合体，而在反向电流的众多组成成分中，体电流占据举足轻重的地位，它和灵敏层的厚度、探测器的面积以及灵敏区里本征载流子的寿命有关系，为减少体电流，一般采用寿命较长的半导体材料或者在低温下使用，都可以很大程度上减少反向电流。表面漏电流，顾名思义，则与探测器的表面上的一些变化和物质有很大关系，这些物质主要是指一些表面污垢、表面污染、实际制作时对表面的处理、实际工艺上的缺陷等等。和体电流一样，在众多组成反向电流的成分中，表面漏电流同样不可忽视。所以，在设计器件时，可以采用在表面开保护环沟道，内圈做探测器而外圈做保护环的方式来减少漏电流。与此同时，注意干燥保存以及表面整洁也是可以注意的部分。1.1.2电容电压特性电容电压特性中的电容指的是在阴极加偏压下，探测器的势垒电容和扩散电容REF_Ref71804085\r\h[22]，碳化硅探测器的耗尽层厚度与所加的反向偏压有关，跟随反向偏压的增加而增大，在达到全耗尽后就和反向的偏压没有关系了。PIN探测器中的电容叫做耗尽层电容，大多是指反