用于微電子化計量儀的半導體探測器特性研究

東華理工大學 馬 駿

用于微電子化計量儀的半導體探測器特性研究

東華理工大學 馬 駿

人類對于半導體的研究和應用已經有相當長的時間，特別是在社會經濟迅速發展的今天，半導體技術的應用廣度和深度都有了較大的提升。作為科技不斷創新發展的產物，半導體技術在電子技術領域存在大量結合點，本文中筆者結合微電子化劑量儀展開研究，結合半導體探測器的特性，提出一些試驗方法，以供廣大研究者參考借鑒。

微電子化計量儀；半導體探測器；特性研究；試驗方法

0 引語

半導體技術近年來被運用于多種領域，尤其是在核輻射探測器方面的運用，將半導體技術的優勢發揮得淋漓盡致，為社會經濟發展做出了巨大貢獻。近年來，細數將半導體技術引入核輻射探測器領域的過程，我國的相關科研單位耗費了大量的人力、財力和物力。隨著時代的發展，深化半導體材料和技術在核輻射探測器的運用研究將繼續為我國的科技發展提供重要支持。結合本文研究方向，擬從半導體探測器特性的實驗研究層面展開，利用實驗數據進行相關討論。

1 半導體探測器的內涵

半導體探測器以其高效、實用、成本低、性能穩定等特性，目前在各個領域的應用十分廣泛。明確半導體探測器的內涵概念，能夠深化我們對半導體探測器的了解，為接下來的更深入的探究工作打下堅實基礎。接下來筆者就從半導體探測器的概念及發展歷程兩個方面來粗淺剖析半導體探測器的內涵：

1.1 半導體探測器的概念

顧名思義，半導體探測器就是利用半導體材料和特點研發的探測設備。結合原理分析，半導體探測器是一種通過鍺、硅等半導體材料物理屬性、并利用其作為探測介質的輻射探測器。由于半導體探測器的工作原理和氣體電離室有諸多相似之處，因此半導體探測器也被稱之為固體電離室。

從技術原理的層面來講，半導體探測器的工作原理是在半導體探測器的靈敏體積內帶電粒子產生“電子——空穴對”，之后“電子——空穴對”在外電場環境下做出漂移繼而產生并輸出信號。經過大量科學家的研究，半導體探測器誕生至今，經過不斷的技術概念和材料改良，目前性能和效用已經十分優良。

1.2 半導體探測器的發展歷程

半導體技術在核輻射探測器方面的應用分為幾個階段：第一個階段是八十年代之前。當時的探測器受到技術技術條件和認知的影響，最為常見的探測器是GM計數管探測器。這種GM計數管探測器的產品性能和效果并不理想。隨著技術的不斷更新和科學家探索的深入。第二個階段是九十年代之后，在法國、德國出現了用半導體材料作探測器的小型劑量儀器。至此，半導體技術正式被應用于探測器領域。這種半導體探測器具有體積小、工作電壓低、耗能少等優勢，這些特點為半導體探測器的應用空間和范圍奠定了良好基礎。

2 用于微電子化計量儀的半導體探測器特性的實驗方法

為了進一步地探究半導體探測器的特性，更明確地了解并認知其優勢，筆者通過一組實驗來進行說明。在這一實驗中筆者所用的半導體測試器是目前業界內比較新型的設備，它是筆者單位和某原子能科學研究院合理研發的。實驗中與半導體探測器相連接的電力屬于微電子學混合電路。下面筆者對實驗方法（如圖2.1所示）作詳細的論述與分析：

圖2.1 實驗示意圖

考慮到夜晚的干擾信號比白天小很多，因此我們在做此實驗時選擇在了晚上的時間段。為了處理好半導體探測器特性實驗中噪音大的問題，本次實驗所選擇的單道閾值是0.21V。在實驗中，主放大倍數為50積分、微分常數為0.5μs。定標器的工作方式為積分，脈沖為正脈沖方式。基于上述這些情況，我們的“用于微電子化計量儀的半導體探測器特性”實驗研究正式開始。

3 用于微電子化計量儀的半導體探測器特性的實驗數據及處理

關于特性研究實驗過程中的實驗數據及處理方式，筆者對其進行了詳細的記錄。筆者將半導體的探測器面積分為10平方豪米、25平方毫米和50平方毫米三種數據類型來進行測驗。

第一，半導體探測器的面積為10平方毫米，98型的半導體探測器輻射響應特性的數據結果如圖3.1、3.2所示，圖中所反映出來的數據指標是偏壓為1V和3V的情況下，98型號的半導體探測器中凈計數和劑量率之間的關系；99型的半導體探測器所反饋的實驗曲線如圖3.3、3.4所示，98型半導體探測器的輻射響應特性數據如圖3.5、3.6所示。圖中所反映出來的數據指標是偏壓為1V和3V的情況下，98型號的半導體探測器中凈計數和劑量率之間的關系。

第二，當半導體探測器的面積增加到25平方毫米之后，99型的半導體探測器輻射響應特性的數據結果如圖3.5、3.6所示，圖中所反映出來的數據指標是偏壓為1V和3V的情況下，99型號的半導體探測器中凈計數和劑量率之間的關系。基于系列實驗分析，當半導體探測器的面積從10平方豪米增加到25平方毫米，在遞增到50平方毫米的過程中，在不同的偏壓下，98型和99型的半導體探測器的凈計數率在0.869cGy/h點上，半導體探測器的型號和探測器偏壓的關系如表1所示。

在表中，在照射量率為均為1的情況下，當半導體探測器的偏壓設定為1V時，探測面積為10平方毫米的98型探測器的凈計數率是68.2，探測面積為25平方毫米的98型探測器的凈計數率是104.0；探測面積為50平方毫米的98型探測器的凈計數率是181.7，探測面積為10平方毫米的99型探測器的凈計數率是125.3。當半導體探測器的偏壓設定為3V時，探測面積為10平方毫米的98型探測器的凈計數率是90.4，探測面積為25平方毫米的98型探測器的凈計數率是167.6；探測面積為50平方毫米的98型探測器的凈計數率是316.4，探測面積為10平方毫米的99型探測器的凈計數率是178.6。

表1 不同偏壓下的98和99型號半導體探測器靈敏度一覽表

4 用于微電子化計量儀的半導體探測器特性的結果與討論

通過上述關于不同型號半導體探測器在不同輻射面積中輻射響應特性等相關數據的分析我們可以得出如下三個方面的結論：

第一，該半導體探測器的工作電壓相對較低，對γ響應十分敏感。當“用于微電子化計量儀的半導體探測器特性研究”的實驗電壓在1V—3V單偏壓電源數據之間變動時，半導體探測器的靈敏度能夠在68-316S/(R/h)區間進行變化。結合實驗數據的分析與反饋，總體來講，輻射面積為10平方毫米的99型探測器性能比輻射面積為10平方毫米的98型探測器性能優良。在同樣的實驗條件中，用來測定DM91的輻射面積為10平方毫米的半導體探測器靈敏度情況如下：當實驗偏壓為1V時，10平方毫米的半導體探測器靈敏度為87.2；當實驗偏壓為3V時，10平方毫米的半導體探測器靈敏度是1.8。對比關于試驗偏壓和不同輻射面積的半導體探測器靈敏度的這幾組實驗數據，我們可以得出如下結論：輻射面積為10平方毫米的99型半導體探測器敏感度性能相比較國外輻射面積為10平方毫米的半導體探測器，在對γ輻射方面的靈敏度方面性能要高出很多。也就是說我們目前的輻射面積為10平方毫米的半導體探測器性能已經達到并超出國外同類探測器的水平。

第二，從噪音閾值的層面來講，本次實驗中所采用的半導體探測器噪音極小，這種小分貝的噪音數值可以顯著提升信噪比，這種情況可以促進微電子學設計工作的更好開展。這一點在微電子化計量儀的半導體探測器特性實驗中雖然是一個細節，但也應當充分引起我們的注意和重視。

第三，本次“用于微電子化計量儀的半導體探測器特性”實驗中，當探測器的屏蔽材質發生變化時，其抗干擾能力也會有明顯改變。這一現象表明在實驗室中，空間的電磁干擾因素需要引起實驗者的重視。

5 結束語

綜上所述，半導體探測器在當前多種行業中所發揮的作用不容忽視，為了探究“用于微電子化計量儀的半導體探測器特性”，筆者通過開展一項專題實驗來進行闡述與說明，在上述文段中，筆者不僅對實驗的方法進行羅列和描述，還對實驗的數據及處理進行對比分析，并有針對性地提出自己的見解。通過上述實驗的分析，筆者希望能夠喚起更多業界同行對于半導體探測器特性的關注，通過群策群力，為促進半導體探測器的運用水平貢獻力量。

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