本文選題：Topmetal + 低噪聲��； 參考：《華中師范大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：半導(dǎo)體探測器以半導(dǎo)體材料為探測介質(zhì),可以用來測量X射線或γ射線的能譜以及粒子徑跡。碲鋅鎘晶體是其中一種性能優(yōu)異的核輻射探測材料,它具有電阻率高、原子序數(shù)大和禁帶寬度大等特性。碲鋅鎘探測器在常溫下具有很高的空間分辨率和探測效率,因此廣泛的應(yīng)用在物理實驗(無中微子雙貝塔衰變和暗物質(zhì)的尋找等)和輻射成像(醫(yī)療CT)中。Topmetal系列芯片是基于0.35 μm CMOS集成電路工藝設(shè)計的可以用頂層金屬直接收集空間電荷的像素陣列芯片。第一版芯片Topmetal-Ⅰ的像素陣列大小為64×64,單個像素尺寸為80×80 μm2,每個像素頂層金屬電極的裸露部分的尺寸為15×15 μm2。Topmetal-Ⅰ芯片上可以對空間中的電荷進行二維成像,并可以測量到單個的alpha粒子,其等效噪聲電荷為327 e-(像素節(jié)點電容的平均值為207 fF)。第二版芯片Topmetal-Ⅱ-的像素陣列大小為72×72,其像素尺寸比第一版的略大,為83×83 μm2。每個像素頂層金屬電極的尺寸和第一版相同。Topmetal-Ⅱ-芯片比Topmetal-Ⅰ芯片具有更低的電子學(xué)噪聲,用于收集電荷的節(jié)點電容為5.5 fF。通過在護環(huán)電極(guard ring)上注入方波信號并將芯片輸出的電壓信號采集之后通過數(shù)字梯形濾波器處理,得到其等效噪聲電荷小于15 e-。兩版芯片之間信號的形成略有差異,第一版芯片經(jīng)過復(fù)位所有像素上拉至一個較高的電壓,然后緩慢衰減,負電荷的注入會使電壓信號衰減的更快;而第二版芯片經(jīng)過復(fù)位所有像素的電壓歸位為基線電壓(Baselinevoltage),負電荷注入時電壓信號快速上升然后緩慢衰減。這兩版芯片均可應(yīng)用于輻射成像,如alpha計數(shù)和束流監(jiān)控等,以及和半導(dǎo)體材料(碲鋅鎘)結(jié)合構(gòu)建高空間分辨探測器。本文所介紹的三個主要工作分別為:第一、Topmetal-Ⅱ-芯片在低溫(液氮環(huán)境)下的性能研究;將Topmetal-Ⅱ-放入盛有液氮的杜瓦瓶中,芯片也可以很好的工作,比在常溫下具有更低的噪聲。在此環(huán)境下,Topmetal-Ⅱ-芯片每個像素信號衰減快慢對外部復(fù)位電壓更敏感,這是像素陣列信號衰減時間的分布比常溫下更寬的原因,進而導(dǎo)致了等效噪聲電荷也具有更寬的分布。在液氮環(huán)境和常溫中,芯片ENC分布的最可幾值分別為12 e-和13 e-,當(dāng)將衰減時間常數(shù)限制在相同范圍內(nèi)時,可以更明顯的看到噪聲的差異。從噪聲角度看,Topmetal-Ⅱ-芯片有潛力作為液氬、液氙等低溫液體探測器的讀出,應(yīng)用在無中微子雙貝塔衰變和暗物質(zhì)的尋找。第二、基于Topmetal-Ⅰ芯片的碲鋅鎘像素探測器的設(shè)計及性能研究;根據(jù)Topmetal-Ⅰ芯片收集信號的特性,碲鋅鎘晶體與芯片之間的連接采用非直接接觸的方法,芯片通過感應(yīng)的方式收集碲鋅鎘晶體內(nèi)產(chǎn)生的電荷信號。實現(xiàn)方法為:在碲鋅鎘晶體上表面的金屬電極上施加方波電壓;當(dāng)方波電壓由正電壓切變?yōu)樨撾妷簳r,將激光信號打入碲鋅鎘晶體上表面預(yù)留的小窗中;在碲鋅鎘晶體上產(chǎn)生的電荷信號耦合到Topmetal-Ⅰ芯片的每個像素上;在碲鋅鎘晶體偏壓由正切變到負電壓之前對Topmetal-Ⅰ芯片進行復(fù)位,掃描像素并采集數(shù)據(jù);根據(jù)Topmetal-Ⅰ芯片上所有像素的響應(yīng),可以得到芯片上的二維信號分布;芯片上的二維成像反映了入射粒子強度的二維分布。碲鋅鎘晶體用于施加偏壓的一面鍍有金屬電極,該表面中心部分2×2 mm2的區(qū)域為沒有電極的。晶體的另一面沒有被鍍上金屬電極,當(dāng)該面與Topmetal-Ⅰ芯片對接時,通過電阻率很高的液體隔絕芯片與晶體。在配置芯片復(fù)位信號、激光信號和晶體偏壓后,將405 nm激光二極管出光孔正對向晶體上表面中間的裸露區(qū)域,光信號會激發(fā)碲鋅鎘晶體產(chǎn)生電子空穴對,電子在電場作用下向晶體的另一面漂移,芯片就可以感應(yīng)到晶體上的激光激發(fā)的信號。實驗結(jié)果表明,在-60 V的偏壓下,該探測器具有的空間分辨小于200μm。第三、基于Topmetal-Ⅱ-芯片的碲鋅鎘像素探測器的設(shè)計及性能研究。Topmetal-Ⅱ-芯片與碲鋅鎘結(jié)合的探測器。Topmetal-Ⅱ-芯片在正常工作期間不需要對每個像素進行強制復(fù)位,因此電荷可以連續(xù)的注入并被像素陣列所收集。鑒于此特性,碲鋅鎘晶體與芯片之間通過一種液體介質(zhì)進行連接,該介質(zhì)要在保證晶體與芯片之間連接均勻性的同時使電荷可以穿過。我們選擇了環(huán)氧樹脂作為連接介質(zhì),晶體上產(chǎn)生的電荷信號在最終達到芯片后只有較小的擴散而保持電荷信號的局域性。由于液體介質(zhì)的厚度會影響到晶體與芯片之間電荷的傳導(dǎo),所以實驗中芯片與晶體貼合的比較緊密。我們采用了 650 nm的激光二極管來驗證整個探測器系統(tǒng)的工作情況,在偏壓為-2 V的情況下,得到的空間分辨率約為420 μm,并利用此探測器直接測量了單個alpha粒子。本文首先研究了 Topmetal-Ⅱ-芯片在液氮環(huán)境下的性能。從噪聲角度看,Topmetal-Ⅱ-芯片有潛力作為液氬、液氙等低溫液體探測器的讀出而應(yīng)用在無中微子雙貝塔衰變和暗物質(zhì)的尋找等實驗中。其次,將Topmetal像素傳感芯片與碲鋅鎘半導(dǎo)體材料結(jié)合實現(xiàn)了具有很高空間分辨能力的探測器�；赥opmetal-Ⅰ的碲鋅鎘探測器空間分辨率小于200μm,而基于Topmetal-Ⅱ-的碲鋅鎘探測器的空間分辨率為420 μm。在-2V的偏壓下,該探測器可以探測到單個alpha粒子在晶體內(nèi)產(chǎn)生的電荷信號。目前在醫(yī)療CT上應(yīng)用的碲鋅鎘像素探測器的尺寸為2.5 mm左右,在空間分辨上還有很大的提升空間。因此在醫(yī)療CT方面,基于Topmetal芯片的高空間分辨率的碲鋅鎘探測器有很大的應(yīng)用前景。
[Abstract]:The semiconductor detector takes semiconductor material as probe medium and can be used to measure the energy spectrum and particle track of X - ray or 緯 - ray . This paper introduces three main tasks : First , Topmetal - 鈪，

本文編號：1862269