幾種新型半導體探測器及應用

韓雪　劉斯禹　郭天超　高瑜　郭天飛

摘 要：最近幾年，新型半導體探測器如電致冷半導體探測器、硅微條、微結構半導體中子探測器等在核物理領域發(fā)展很快，應用范圍很廣。該文介紹了電致冷半導體探測器、硅微條、微結構半導體中子探測器等新型半導體探測器的結構、原理及優(yōu)點，簡要闡述了其發(fā)展現(xiàn)狀和應用前景，還舉例說明了這幾種新型半導體探測器在核醫(yī)學、高能物理等領域的應用。

關鍵詞：半導體探測器 中子探測器 硅微條 電制冷

中圖分類號：TL814 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）07（c）-0142-02

隨著高能物理、核醫(yī)學等核事業(yè)的不斷發(fā)展，氣體探測器、閃爍探測器、半導體探測器等核探測器和探測技術也有了嶄新的進展。以半導體材料為探測介質(zhì)的輻射探測器半導體探測器也有很大發(fā)展。最通用的半導體材料是鍺和硅半導體探測器，其基本原理與氣體電離室相類似，故又稱固體電離室。在此基礎上研究出的新型半導體探測器如硅微條、Pixel、CCD、硅漂移室等已被廣泛應用到除高能物理、天體物理領域以外的核醫(yī)學、光學成像、軍事等領域。半導體探測器已被世界各大實驗室廣泛應用。

一般來說，半導體探測器比氣體探測器和閃爍計數(shù)器的能量分辨率強很多，這是其結構特點導致的，半導體探測器有兩個電極，當入射粒子進入半導體探測器的靈敏區(qū)域時，就會產(chǎn)生電子-空穴對。在探測器兩極加上一定的偏壓后，電子就向兩極作漂移運動，收集電極上會感應出電荷，從而在外電路形成信號脈沖。而且，在半導體探測器中，入射粒子產(chǎn)生一個電子-空穴對所消耗的平均能量為氣體電離室產(chǎn)生一個離子對所消耗的1/10左右，因此，半導體探測器的能量分辨率較氣體電離探測器強很多。除能量分辨率強之外，新型半導體探測器還有很多優(yōu)點，如：位置分辨率強、響應時間快、體積小等特點，也正是由于這些優(yōu)點，將為國際新型高效率探測器的廣泛應用奠定基礎。

1 硅微條探測器的結構及應用

在20世紀80年代，隨著微電子工藝能力的提高和核物理實驗的要求，探測條可以做的非常小（20～100μm），即硅微條探測器[1]。硅微條探測器除了有很高的能量分辨率外，還有很高的位置分辨率、很寬的能量線性范圍、較快的時間響應等諸多優(yōu)點。隨著微電子的工藝趨向納米量級，硅微條被制作成集成電子器件，如圖1所示。現(xiàn)如今，世界各國也逐步采用了硅微條探測器代替漂移室作為徑跡測量的徑跡室。

硅微條半導體探測器可根據(jù)其讀出信號分布不同，分為單邊讀出和雙邊讀出硅微條，都是利用p-n結的一些特征研制成的。據(jù)有關文獻介紹，1994年，Peter Weilhammer等[4]在DUT的實驗中，測得硅微條探測器的空間分辨率達到了1.4μm。隨即，Straver等[5]采用25μm微條間隙的硅微條探測器，粒子入射方向垂直于探測器表面，得到的空間分辨率為1.25μm.在此基礎上，中國科學院近代物理研究所楊磊等[2]進行了AC耦合硅微條探測器的研制實驗，證明了硅微條探測器有很高的能量分辨率和位置分辨率、很寬的能量線性范圍、較快的時間響應等諸多優(yōu)點，還說明了AC耦合硅微條探測器比DC耦合有明顯的優(yōu)越性，抗輻射性能好。可見，從目前形勢來看，AC耦合硅微條探測器的具有產(chǎn)業(yè)化特點已相當明確。

2 電致冷半導體探測器的結構及應用

電制冷半導體探測器采用不同于傳統(tǒng)的氣體壓縮膨脹致冷、磁致冷等制冷原理，而是采用熱電制冷的方法。其制冷原理是利用在一塊N型半導體和一塊P型半導體結成電耦回路上街上直流電源，當電流流過時電偶發(fā)生能量轉移，而發(fā)生放熱或吸熱現(xiàn)象，產(chǎn)生制冷或制熱。將這些電偶元件串聯(lián)起來達到單機制冷器件的級聯(lián)就具有了良好的制冷效果。美國采用磁制冷效果研發(fā)了電制冷半導體探測器XR-100CR，如圖1所示。該探測器已經(jīng)成功應用于火星巖石和土壤進行了成分分析以及海底X射線熒光探測系統(tǒng)中，可對海底沉積物成分進行分析，是一種有效可行的分子技術[6]。

呂軍等[7]在文獻中將電制冷半導體探測器與液氮探測器相比較，發(fā)現(xiàn)采用電制冷探測器不僅探測效率相對較高，響應時間短之外，可以避免低溫下保存和使用的不便之處，極大地擴展了它的應用領域。電制冷半導體探測器是比較適合野外作業(yè)的便攜式探測器。

3 微結構半導體中子探測器的結構及應用

核電子學的蓬勃發(fā)展到1987年時，Muminov等首次提出了微結構半導體中子探測器的概念，從此開辟了將微結構半導體應用于中子探測的新領域。如：中子注量率精確測量、中子輻射探測、中子散射測量、中子個人劑量監(jiān)測等，為結構半導體中子探測器都發(fā)揮著重要作用。

半導體中子探測器是利用次級帶電粒子在半導體中沉積能量而產(chǎn)生的電子空穴對來對中子進行探測的。基于這種探測方法，2001年McGregor等[8]用反應離子刻蝕技術做出的器件的熱中子探測效率較普通半導體中子探測器有了適當提高。J.Uher等[9]后來對市場上已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的幾種半導體中子探測器進行了模擬，發(fā)現(xiàn)當反應發(fā)生在倒金字塔結構頂部區(qū)域時就能夠同時探測兩種反應物的中子，從而說明了倒金字塔型（如圖1所示）這種三維結構作為半導體中子探測器的可行性和有效性。2013年，D.S.McGregor等[10]又研究出了三種新型半導體中子探測器構型，分別是孔型、溝槽型和柱型，并一一甄別了其性能和優(yōu)點，發(fā)現(xiàn)孔型結構的穩(wěn)定性最好。目前，改善提高微結構半導體中子探測器的探測效率是實現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化應用的技術關鍵。

4 結語

無論是在高能物理，還是半導體物理，亦或是與核物理相關的其他領域，半導體探測器都有著不可或缺的作用。隨著物理學科的不斷進步，對物理實驗的要求也越來越高，更高精度的探測器將層出不窮，先進的探測技術在未來的核醫(yī)學影像、安全檢測、核技術應用等領域中一定會有更美好前景。

參考文獻

[1] 孟祥承.新型半導體探測器發(fā)展和應用[J].核電子學與探測技術，2004，24（1）：87-96.

[2] 楊磊.AC耦合硅微條探測器的研制[D].中國科學院研究生院（近代物理研究所），2014.

[3] Uher J， Fr jdh C，Jak bek J， et al.Characterization of 3D thermal neutron semiconductor detectors[J].Nuclear Instruments & Methods in Physics Research，2007，576（1）：32-37.

[4] Weilhammer P.Overview：silicon vertex detectors and trackers[J].Nuclear Instruments & Methods in Physics Research，2000，453（1）：60-70.

[5] Straver J，Toker O，Weilhammer P，et al.One micron spatial resolution with silicon strip detectors[J].Nuclear Instruments & Methods in Physics Research，1994，348（2）：485-490.

[6] 曹利國.核地球物理勘查方法[M].原子能出版社，1991.

[7] 呂軍，侯新生.新型電致冷半導體探測器的應用[J].物探與化探，2006，30（4）：374-376.

[8] Muminov R A，et al.High-Efficiency Semiconductor Thermal-Neutron Detectors[J].Soviet Atomic Energy，1987，62（4）：316-319.

[9] Uher J，F(xiàn)r jdh C， Jak bek J，et al.Characterization of 3D thermal neutron semiconductor detectors[J].Nuclear Instruments & Methods in Physics Research，2007，576（1）：32-37.

[10] McGregor D S，et al.Present status of micro-struc-tured semiconductor neutron detector[J].Journal of Crystal Growth，2013，379：99-110.