硅微條探測(cè)器

1、硅微條探測(cè)器Silicon Strip Detector2004年3月15日星期一1硅微條探測(cè)器的位置分辨率可好于1.4m, 這是任何氣體探測(cè)器和閃爍探測(cè)器很難作到的。2硅微條探測(cè)器的特點(diǎn)3隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展，半導(dǎo)體粒子探測(cè)器也有了很大的發(fā)展。其中, 硅微條探測(cè)器SMD ( Silicon Micro strip Detector) 的發(fā)展和應(yīng)用是非常突出的一個(gè)。近十幾年來, 世界各大高能物理實(shí)驗(yàn)室?guī)缀醵疾捎盟鳛轫旤c(diǎn)探測(cè)器：ATLA S 和CM S 作為探測(cè)粒子徑跡的徑跡室( tracker)。在核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的CT 和其它數(shù)字化圖像方面的應(yīng)用研究, 也有了很多新的進(jìn)展。4非常好的位置分辨

2、率這是硅微條探測(cè)器最突出的特點(diǎn)。它的位置分辨率是目前應(yīng)用的各種探測(cè)器中最高的,目前可做到1. 4m。主要因?yàn)楣腆w的密度比氣體大100 倍左右, 帶電粒子穿過探測(cè)器, 產(chǎn)生的電子2空穴對(duì)(e-h) 的密度非常高, 大約為110e-h/m。另外由于現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)工藝, 光刻技術(shù)及高集成度低噪聲讀出電子學(xué)的飛速發(fā)展, 每個(gè)讀出條可對(duì)應(yīng)一路讀出電子學(xué), 更有利于空間分辨率的提高。5很高的能量分辨率半導(dǎo)體探測(cè)器的能量分辨率比氣體探測(cè)器大約高一個(gè)數(shù)量級(jí), 比閃爍計(jì)數(shù)器高得更多。這是因?yàn)樵诠璋雽?dǎo)體中電離產(chǎn)生一對(duì)電子2空穴對(duì)(e-h) 只需要3eV左右的能量, 而氣體中產(chǎn)生一對(duì)離子對(duì)所需能量大約為30eV ,

3、 塑料閃爍探測(cè)器在光陰極上產(chǎn)生一個(gè)光電子需要的能量大約為300eV。帶電粒子在硅半導(dǎo)體中的能量損失也很高, 在硅晶體中, 能量損失大約390eV/m 。因此, 同樣能量的帶電粒子在半導(dǎo)體中產(chǎn)生的電子2空穴對(duì)數(shù)要比氣體中產(chǎn)生的離子對(duì)高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。這樣電荷數(shù)的相對(duì)統(tǒng)計(jì)漲落也比氣體小很多。6很寬的線性范圍由于在一定能量范圍內(nèi), 半導(dǎo)體的平均電離能與入射粒子的基本能量無(wú)關(guān), 故半導(dǎo)體探測(cè)器具有很好的線性, 很寬的線性范圍。7非?？斓捻憫?yīng)時(shí)間在半導(dǎo)體探測(cè)器中, 由于采用微電子工藝的半導(dǎo)體探測(cè)器很薄, 它的電荷在很小的區(qū)域里收集, 響應(yīng)時(shí)間非?？? 一般可達(dá)到5n s 左右。因此, 可以實(shí)現(xiàn)高計(jì)數(shù)率,

4、 可超過108/cm2s。8體積可做得很小由于硅半導(dǎo)體密度大, 有一定的剛度, 它可以做得很薄并能自身支持, 典型的厚度是300m 左右, 當(dāng)帶電粒子穿過時(shí), 大約可產(chǎn)生3. 2104 電子-空穴對(duì)。有的還可做得更薄, 整個(gè)探測(cè)器可以作得很小。9硅微條探測(cè)器的缺點(diǎn)對(duì)輻射損傷比較靈敏, 如果受到強(qiáng)輻射其性能將變差。但各國(guó)科學(xué)家就此問題從技術(shù)上正在進(jìn)行不斷地改進(jìn)提高。10硅微條探測(cè)器的結(jié)構(gòu)和工作原理11從探測(cè)器橫截面上看, 主要分這樣幾個(gè)部分:探測(cè)器表面: 有薄鋁條, SiO2隔離條, 鋁條下邊是重?fù)絧+條。中間部分: 是厚度大約為300m 的高阻n 型硅基, 作為探測(cè)器的靈敏區(qū)。底部: 是n 型

5、硅摻入砷(As) 形成重?fù)诫sn+ 層和鋁薄膜組成的探測(cè)器的背襯電極。12微條(strips)是探測(cè)器的信號(hào)讀出條, 它的寬窄和間距將影響探測(cè)器的空間分辨率。保護(hù)環(huán)(Guard rings)在探測(cè)器的四周, 起到屏蔽保護(hù)作用, 使探測(cè)器降低了噪聲, 提高了抗輻射能力。多晶硅偏壓電阻(Poly-silicon bias resistors)是集成在硅片上的, 它對(duì)于每個(gè)微條起保護(hù)作用，可以降低漏電流, 從而降低噪聲。偏壓連接帶(Bias trace)是連接偏壓電源到每一個(gè)微條的連接帶。直流接觸片(DC contact pad)是作直流耦合輸出的接觸點(diǎn)。交流接觸片(AC contact pads)是

6、交流耦合輸出的接觸點(diǎn), 一般信號(hào)讀出是通過它們連到前置放大器的。13硅微條探測(cè)器的等效電路圖。Cs為兩個(gè)相鄰微條之間的電容，Cb為每個(gè)微條與探測(cè)器背面之間電容，Cp為信號(hào)交流耦合輸出的隔直電容，Cfb為電荷靈敏前置放大器的反饋電容，R p 為多晶硅偏壓電阻, 圖中的每個(gè)pn 結(jié)相當(dāng)于每一根讀出微條微結(jié)構(gòu)。14硅微條探測(cè)器是在一個(gè)n 型硅片的表面上, 通過氧化和離子注入法, 局部擴(kuò)散法, 表面位壘法及光刻等技術(shù)工藝制作成的。其表面是均勻平行的附有一層鋁膜的重?cái)v雜p+微條。n 型硅片的整個(gè)底面摻入雜質(zhì)后, 制成n 型重?cái)v雜n+層, 其外層也附有一層鋁, 作為電極接觸。這樣制成了表面均勻條形的pn結(jié)

7、型單邊讀出的探測(cè)器。15中間部分的耗盡層是探測(cè)器的靈敏區(qū), 當(dāng)在這些條型pn結(jié)加上負(fù)偏壓時(shí), 耗盡層在外加電場(chǎng)的作用下, 隨著電壓升高而變厚。當(dāng)電壓足夠高, 耗盡層幾乎擴(kuò)展到整個(gè)n- 型硅片, 基本達(dá)到了全耗盡, 死層變得非常薄。因?yàn)槠鋬?nèi)部可移動(dòng)的載流子密度很低, 電阻率很高, 漏電流非常小(好的硅微條探測(cè)器漏電流小于100pA )。外加電壓幾乎全部加到耗盡區(qū)上, 形成很高的電場(chǎng),。16在無(wú)輻射電離時(shí), 基本沒有信號(hào)產(chǎn)生。當(dāng)有帶電粒子穿過探測(cè)器的靈敏區(qū)時(shí), 將產(chǎn)生電子空穴對(duì), 在高電場(chǎng)的作用下, 電子向正極(底板)漂移, 空穴向靠近徑跡的加負(fù)偏壓的微條漂移，在這很小的區(qū)域內(nèi)(探測(cè)器厚度在300

8、m 左右) 收集電荷只需很短的時(shí)間(5ns左右)。在探測(cè)器的微條上很快就讀出了這個(gè)空穴(實(shí)為電子) 運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電荷信號(hào)。讀出電子學(xué)得到這個(gè)電荷信號(hào), 經(jīng)過前置放大器將信號(hào)放大, 再經(jīng)過模擬通道, 比較器, 模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC) 后讀入計(jì)算機(jī)。17根據(jù)探測(cè)器系統(tǒng)測(cè)得的帶電粒子的信息, 及帶電粒子在各個(gè)微條上的位置參量, 可以確定各有關(guān)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡及對(duì)撞后末態(tài)粒子的次級(jí)頂點(diǎn)等。根據(jù)譜儀內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度和粒子運(yùn)動(dòng)的軌跡可以計(jì)算出每個(gè)帶電粒子的動(dòng)量。18在設(shè)計(jì)、制作和使用硅微條探測(cè)器時(shí)需要考慮的一個(gè)重要原則問題是帶電粒子在半導(dǎo)體探測(cè)器中的散射角度與探測(cè)器的厚度問題。因?yàn)榘雽?dǎo)體的密度比較大, 帶電粒子穿

9、過探測(cè)器時(shí), 在探測(cè)器內(nèi)部要經(jīng)過多次散射。如果帶電粒子的能量不高, 探測(cè)器比較厚, 粒子在探測(cè)器內(nèi)經(jīng)過很多次散射后, 角度偏轉(zhuǎn)比較大, 這將不利于粒子的徑跡和頂點(diǎn)精確測(cè)量。如果探測(cè)器太薄了, 雖然散射次數(shù)減少, 偏轉(zhuǎn)角度小了, 但探測(cè)效率降低了。因此, 一定要根據(jù)被探測(cè)粒子的能量及實(shí)驗(yàn)對(duì)散射偏轉(zhuǎn)角度的要求, 恰當(dāng)?shù)倪x擇探測(cè)器厚度。19硅微條探測(cè)器的發(fā)展20探測(cè)器技術(shù)及半導(dǎo)體各種技術(shù)工藝和光刻技術(shù)的發(fā)展, 硅微條及一些相關(guān)的半導(dǎo)體探測(cè)器都得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用。如雙邊讀出的硅微條探測(cè)器、像素探測(cè)器、硅漂移室、CCD、硅片探測(cè)器。21雙邊讀出的硅微條探測(cè)器雙邊讀出的硅微條探測(cè)器也是基于pn結(jié)的工作

10、原理, 在一片n型硅片的兩面,通過先進(jìn)的技術(shù)工藝, 分別制成重?cái)v雜p+型和n+型微條。有p+型和n+型上下兩層讀出條, 這兩層讀出條相交成一定的角度，具有兩維的位置測(cè)試能力。它的結(jié)邊(p-side) 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特征像單邊讀出的微條探測(cè)器,; 而歐姆邊(n-side) , 為防止條之間的短路, 需要復(fù)雜的設(shè)計(jì)及技術(shù)工藝, 其中包括條之間的電子學(xué)絕緣問題。雙邊讀出的硅微條探測(cè)器的工作原理也是因?yàn)榧迂?fù)偏壓, 實(shí)現(xiàn)基本全耗盡, 動(dòng)態(tài)電阻很大, 漏電流很小, 同時(shí)減小了電容, 壓低噪聲。22像素(Pixel) 探測(cè)器像素探測(cè)器也是根據(jù)pn結(jié)的原理研制成功的, 它的內(nèi)部是由許多精心設(shè)計(jì)好的非常小的pn 結(jié)

11、(二極管) 組成。它能夠非?？斓奶峁﹥删S的信息。每一個(gè)小室(cell) 都連接它自己的讀出電子學(xué)。這樣制成的像素探測(cè)器對(duì)于高多重性、高事例率的實(shí)驗(yàn)是非常有用的。它不像雙層硅微條探測(cè)器那樣,在多個(gè)粒子同時(shí)打到探測(cè)器的一個(gè)讀出條有時(shí)會(huì)出現(xiàn)位置分辨模糊。像素探測(cè)器具有非常好的位置分辨率, 在每單位面積上需要大量的電子學(xué)路數(shù)。這種像素探測(cè)器只用單邊的技術(shù)工藝而提供了兩維的高位置分辨率。已經(jīng)被用到LHC 高能物理實(shí)驗(yàn)中。23電荷耦合器件CCD (Charge Coupled Device) 作為光學(xué)探測(cè)器， 已經(jīng)使用幾十年了, 過去用在光測(cè)量和攝像機(jī)上, 近些年科學(xué)家們已直接把它用作高能物理探測(cè)器， 因

12、為CCD 作為粒子探測(cè)器, 探測(cè)的不再是光, 而是帶電粒子, 所以它的結(jié)構(gòu)也有些變化。當(dāng)帶電粒子射入探測(cè)器時(shí)產(chǎn)生電子-空穴對(duì), 電荷傳輸在CCD 很薄的耗盡區(qū)內(nèi)。電荷從一個(gè)小室向另一個(gè)小室的漂移, 移向邊緣那一列信號(hào)輸出電極。因?yàn)樾盘?hào)輸出電極及讀出電子學(xué)路數(shù)都少, 因此這種探測(cè)器的信號(hào)讀出比較慢。24硅漂移室硅漂移室是在n型的硅片的兩個(gè)表面, 注入雜質(zhì)，形成重?cái)v雜p+條, 由此形成兩個(gè)耗盡層夾著一個(gè)未耗盡的區(qū)域。在邊緣形成一個(gè)n+微條與中間未耗盡區(qū)相連, 當(dāng)外加一定的負(fù)偏壓后,使整個(gè)硅片實(shí)現(xiàn)全耗盡。硅片內(nèi)部的電位分布,在z 方向成為拋物線型, 中心的電位最低而靠近兩個(gè)表面的部位最高。25當(dāng)帶電

13、粒子穿過探測(cè)器時(shí)產(chǎn)生電子空穴對(duì), 電子就會(huì)落入低電位的谷中, 然后沿著電場(chǎng)的x 方向分量向微條n+漂移,形成電信號(hào)。通過測(cè)量電子的漂移時(shí)間及被分割開的n+讀出微條上的坐標(biāo)就得到了入射粒子的兩維位置信息。另外, 電子在耗盡區(qū)漂移很長(zhǎng)距離才到達(dá)面積很小的正電極, 電極之間的電容很小, 因此噪聲減小, 有利于提高能量分辨率。普通的半導(dǎo)體探測(cè)器的計(jì)數(shù)率一般在幾十kHz 以下, 硅漂移室由于其電容小, 相應(yīng)的脈沖成形時(shí)間也很短(大約為100n s) , 硅漂移室的漂移時(shí)間雖然比較長(zhǎng), 但它的計(jì)數(shù)率并不受此影響, 硅漂移室允許計(jì)數(shù)率比一般的半導(dǎo)體探測(cè)器高幾十倍。它的時(shí)間分辨可小于1ns, 并且它有兩維的位置分辨, 其中按漂移方向的位置分辨率可達(dá)到幾個(gè)m。它的缺點(diǎn)是電極結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 探測(cè)器價(jià)格較高。26硅微條探測(cè)器的應(yīng)用27硅微條室用作ATLAS頂點(diǎn)探測(cè)器28硅片探測(cè)器硅片探測(cè)器是由