【摘要】：半導(dǎo)體探測器以其響應(yīng)速度快、靈敏度高、易于集成等優(yōu)異的性能,成為光子、高能粒子探測的首選探測器,已被廣泛地應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療檢測、高能物理實驗等領(lǐng)域。對于應(yīng)用在高能物理實驗上的探測器,如在歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞實驗中(LHC)的探測器,強的輻照環(huán)境會導(dǎo)致探測器工作性能的劇烈衰減,如漏電流增加、電阻率的增加等。近年來,高能物理實驗上的輻照通量繼續(xù)增大,如在超級強子對撞實驗上(SLHC),輻照通量已達到1×1016 neq/cm2,今后還會持續(xù)增大。此時,強輻照導(dǎo)致缺陷效應(yīng)加劇,陷阱能級對電荷的俘獲效應(yīng)成為影響探測器性能的主要因素�？茖W(xué)家們一直嘗試著增強探測器的抗輻照性能,其中一個有效途徑就是設(shè)計出具有新型結(jié)構(gòu)的探測器,希望它的電荷收集速率快、并且能有較小的全耗盡電壓。最近幾年出現(xiàn)了一種新型的三維溝槽狀電極的硅探測器,該探測器內(nèi)部電場分布較均勻,全耗盡電壓較小,其性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的僅含有柱狀電極的三維探測器,目前該探測器正處于研發(fā)測試階段,未來該探測器必將取代傳統(tǒng)柱狀電極探測器,并會在高能物理實驗、X射線探測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。探測器的電荷收集性能作為探測器工作性能的重要參數(shù)指標(biāo),對高能粒子或是X射線探測的效率及精度方面都是極其重要的。而國內(nèi)外對該新型三維溝槽電極硅探測器的電荷收集情況,特別是強輻照環(huán)境中的電荷收集的研究并未開展。本文中我們通過分析強輻照在硅中產(chǎn)生的輻照效應(yīng),包括空間電荷變化、少子壽命變化、以及輻照產(chǎn)生的陷阱能級對電荷的俘獲情況等,并且利用Ramo理論,得出了輻照環(huán)境中三維溝槽探測器的電荷收集模型。同時借助半導(dǎo)體器件仿真軟件(Silvaco TCAD)對電荷收集模型中需要的三維溝槽電極硅探測器的電場分布及其比重分配場的分布進行了仿真,最后得到了該型探測器的具體電荷收集性能。對該型探測器的電荷收集性能仿真結(jié)果表明:(1)對于沒受過輻射照射的探測器,電荷收集值與高能粒子入射位置無關(guān);(2)對于受過輻射照射的探測器,電荷收集與高能粒子入射位置相關(guān);(3)隨著輻照通量的增加,電荷收集值減少;(4)增加電壓會使電荷收集量增加,但最終電荷收集值趨于飽和;(5)電極間距減少會增加電荷收集值。同時我們也對任意位置入射的粒子產(chǎn)生的平均電荷進行了估計。文章中提出的電荷收集計算方法新穎,可為其他器件的電荷收集模型提供借鑒,而對該新型硅探測器電荷收集的模擬將對未來高能物理實驗或核物理實驗中的該型探測器的應(yīng)用提供重要參考。
【圖文】：

0 0eff圖 5.13(b)仿真了正方形三維溝槽電極探測器在不同質(zhì)子輻照通量下的平均收集電荷值。(3) 正六邊形三維溝槽電極平均收集電荷。如圖 5.14(a)所示，正六邊形三維溝槽探測器的表面有效面積 Seff為：2 203 3( - )2effS R r(5-14)電極連線 r0-R 上 MIP 收集電荷的線密度為 Q(r)，再次利用和以上溝槽探測器平均電荷相同的求法(對微小六邊環(huán)形上產(chǎn)生的電荷沿對角線方向上積分)，，求得單個 MIP 粒子入射到正六邊形三維溝槽探測器上產(chǎn)生的平均電荷Q 為：0 02 22 2003 3 ( ) 2 ( )3 3 ( )2R Rr reffn Q r rdr Q r rdrQQn S n R rR r (5-15)圖 5.14(b)仿真了正六邊形三維溝槽電極探測器在不同質(zhì)子輻照通量下的平均收集電荷值。

0 0eff圖 5.13(b)仿真了正方形三維溝槽電極探測器在不同質(zhì)子輻照通量下的平均收集電荷值。(3) 正六邊形三維溝槽電極平均收集電荷。如圖 5.14(a)所示，正六邊形三維溝槽探測器的表面有效面積 Seff為：2 203 3( - )2effS R r(5-14)電極連線 r0-R 上 MIP 收集電荷的線密度為 Q(r)，再次利用和以上溝槽探測器平均電荷相同的求法(對微小六邊環(huán)形上產(chǎn)生的電荷沿對角線方向上積分)，求得單個 MIP 粒子入射到正六邊形三維溝槽探測器上產(chǎn)生的平均電荷Q 為：0 02 22 2003 3 ( ) 2 ( )3 3 ( )2R Rr reffn Q r rdr Q r rdrQQn S n R rR r (5-15)圖 5.14(b)仿真了正六邊形三維溝槽電極探測器在不同質(zhì)子輻照通量下的平均收集電荷值。
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TL814

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 張肇西;;歐洲大型強子對撞機LHC的物理[J];現(xiàn)代物理知識;2008年05期

本文編號：2669945