【摘要】：半導(dǎo)體探測(cè)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(cè)的首選探測(cè)器,已被廣泛地應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療檢測(cè)、高能物理實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。對(duì)于應(yīng)用在高能物理實(shí)驗(yàn)上的探測(cè)器,如在歐洲核子研究中心(CERN)的大型強(qiáng)子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中(LHC)的探測(cè)器,強(qiáng)的輻照環(huán)境會(huì)導(dǎo)致探測(cè)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(shí)驗(yàn)上的輻照通量繼續(xù)增大,如在超級(jí)強(qiáng)子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)上(SLHC),輻照通量已達(dá)到1×1016 neq/cm2,今后還會(huì)持續(xù)增大。此時(shí),強(qiáng)輻照導(dǎo)致缺陷效應(yīng)加劇,陷阱能級(jí)對(duì)電荷的俘獲效應(yīng)成為影響探測(cè)器性能的主要因素�？茖W(xué)家們一直嘗試著增強(qiáng)探測(cè)器的抗輻照性能,其中一個(gè)有效途徑就是設(shè)計(jì)出具有新型結(jié)構(gòu)的探測(cè)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(cè)器,該探測(cè)器內(nèi)部電場(chǎng)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(cè)器,目前該探測(cè)器正處于研發(fā)測(cè)試階段,未來該探測(cè)器必將取代傳統(tǒng)柱狀電極探測(cè)器,并會(huì)在高能物理實(shí)驗(yàn)、X射線探測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。探測(cè)器的電荷收集性能作為探測(cè)器工作性能的重要參數(shù)指標(biāo),對(duì)高能粒子或是X射線探測(cè)的效率及精度方面都是極其重要的。而國(guó)內(nèi)外對(duì)該新型三維溝槽電極硅探測(cè)器的電荷收集情況,特別是強(qiáng)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(qiáng)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(jí)對(duì)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(cè)器的電荷收集模型。同時(shí)借助半導(dǎo)體器件仿真軟件(Silvaco TCAD)對(duì)電荷收集模型中需要的三維溝槽電極硅探測(cè)器的電場(chǎng)分布及其比重分配場(chǎng)的分布進(jìn)行了仿真,最后得到了該型探測(cè)器的具體電荷收集性能。對(duì)該型探測(cè)器的電荷收集性能仿真結(jié)果表明:(1)對(duì)于沒受過輻射照射的探測(cè)器,電荷收集值與高能粒子入射位置無關(guān);(2)對(duì)于受過輻射照射的探測(cè)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(huì)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(huì)增加電荷收集值。同時(shí)我們也對(duì)任意位置入射的粒子產(chǎn)生的平均電荷進(jìn)行了估計(jì)。文章中提出的電荷收集計(jì)算方法新穎,可為其他器件的電荷收集模型提供借鑒,而對(duì)該新型硅探測(cè)器電荷收集的模擬將對(duì)未來高能物理實(shí)驗(yàn)或核物理實(shí)驗(yàn)中的該型探測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)器平均電荷相同的求法(對(duì)微小六邊環(huán)形上產(chǎn)生的電荷沿對(duì)角線方向上積分)，，求得單個(gè) MIP 粒子入射到正六邊形三維溝槽探測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)器平均電荷相同的求法(對(duì)微小六邊環(huán)形上產(chǎn)生的電荷沿對(duì)角線方向上積分)，求得單個(gè) MIP 粒子入射到正六邊形三維溝槽探測(cè)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(cè)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(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TL814

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

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

本文編號(hào)：2669945