硅微條探測(cè)器

硅微條探測(cè)器第1頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月硅微條探測(cè)器的位置分辨率可好于1.4μm,這是任何氣體探測(cè)器和閃爍探測(cè)器很難作到的。第2頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月硅微條探測(cè)器的特點(diǎn)第3頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月隨著半導(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(SiliconMicrostripDetector)的發(fā)展和應(yīng)用是非常突出的一個(gè)。近十幾年來(lái),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：ATLAS和CMS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。第4頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月非常好的位置分辨率這是硅微條探測(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1.4μm。主要因?yàn)楣腆w的密度比氣體大100倍左右,帶電粒子穿過(guò)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/μm。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。第5頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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,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/μm。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。第6頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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。第7頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月非?？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)間非常快,一般可達(dá)到5ns左右。因此,可以實(shí)現(xiàn)高計(jì)數(shù)率,可超過(guò)108/cm2·s。第8頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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300μm左右,當(dāng)帶電粒子穿過(guò)時(shí),大約可產(chǎn)生3.2×104

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。第9頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月硅微條探測(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(wèn)題從技術(shù)上正在進(jìn)行不斷地改進(jìn)提高。第10頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月硅微條探測(cè)器的結(jié)構(gòu)和工作原理第11頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月從探測(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300μm的高阻n型硅基,作為探測(cè)器的靈敏區(qū)。底部:是n型硅摻入砷(As)形成重?fù)诫sn+層和鋁薄膜組成的探測(cè)器的背襯電極。第12頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月微條(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)(Guardrings)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-siliconbiasresistors)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(Biastrace)是連接偏壓電源到每一個(gè)微條的連接帶。直流接觸片(DCcontactpad)是作直流耦合輸出的接觸點(diǎn)。交流接觸片(ACcontactpads)是交流耦合輸出的接觸點(diǎn),一般信號(hào)讀出是通過(guò)它們連到前置放大器的。第13頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月硅微條探測(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，Rp為多晶硅偏壓電阻,圖中的每個(gè)p－n結(jié)相當(dāng)于每一根讀出微條微結(jié)構(gòu)。第14頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月硅微條探測(cè)器是在一個(gè)n型硅片的表面上,通過(guò)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)型單邊讀出的探測(cè)器。第15頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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),。第16頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在無(wú)輻射電離時(shí),基本沒(méi)有信號(hào)產(chǎn)生。當(dāng)有帶電粒子穿過(guò)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300μm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(guò)前置放大器將信號(hào)放大,再經(jīng)過(guò)模擬通道,比較器,模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)后讀入計(jì)算機(jī)。第17頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月根據(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。第18頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在設(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(wèn)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(wèn)題。因?yàn)榘雽?dǎo)體的密度比較大,帶電粒子穿過(guò)探測(cè)器時(shí),在探測(cè)器內(nèi)部要經(jīng)過(guò)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(guò)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。第19頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月硅微條探測(cè)器的發(fā)展第20頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月探測(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。第21頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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)的工作原理,在一片n型硅片的兩面,通過(guò)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(wèn)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。第22頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月像素(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)(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。第23頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電荷耦合器件CCD

(ChargeCoupledDevice)作為光學(xué)探測(cè)器，已經(jīng)使用幾十年了,過(guò)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?yàn)镃CD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。第24頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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。第25頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)帶電粒子穿過(guò)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(guò)測(cè)量電子的漂移時(shí)間及被分割開(kāi)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100ns),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)μm。它的缺點(diǎn)是電極結(jié)構(gòu)復(fù)雜,探測(cè)器價(jià)格較高。第26頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月硅微條探測(cè)器的應(yīng)用第27頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月硅微條室用作ATLAS頂點(diǎn)探測(cè)器第28頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年