硅微条探测器精品课件

1、硅微条探测器第1页，共29页，2022年，5月20日，9点49分，星期五硅微条探测器的位置分辨率可好于1.4m, 这是任何气体探测器和闪烁探测器很难作到的。第2页，共29页，2022年，5月20日，9点49分，星期五硅微条探测器的特点第3页，共29页，2022年，5月20日，9点49分，星期五随着半导体技术的迅速发展，半导体粒子探测器也有了很大的发展。其中, 硅微条探测器SMD ( Silicon Micro strip Detector) 的发展和应用是非常突出的一个。近十几年来, 世界各大高能物理实验室几乎都采用它作为顶点探测器：ATLA S 和CM S 作为探测粒子径迹的径迹室( tra

2、cker)。在核医学领域的CT 和其它数字化图像方面的应用研究, 也有了很多新的进展。第4页，共29页，2022年，5月20日，9点49分，星期五非常好的位置分辨率这是硅微条探测器最突出的特点。它的位置分辨率是目前应用的各种探测器中最高的,目前可做到1. 4m。主要因为固体的密度比气体大100 倍左右, 带电粒子穿过探测器, 产生的电子2空穴对(e-h) 的密度非常高, 大约为110e-h/m。另外由于现代半导体技术工艺, 光刻技术及高集成度低噪声读出电子学的飞速发展, 每个读出条可对应一路读出电子学, 更有利于空间分辨率的提高。第5页，共29页，2022年，5月20日，9点49分，星期五很高

3、的能量分辨率半导体探测器的能量分辨率比气体探测器大约高一个数量级, 比闪烁计数器高得更多。这是因为在硅半导体中电离产生一对电子2空穴对(e-h) 只需要3eV左右的能量, 而气体中产生一对离子对所需能量大约为30eV , 塑料闪烁探测器在光阴极上产生一个光电子需要的能量大约为300eV。带电粒子在硅半导体中的能量损失也很高, 在硅晶体中, 能量损失大约390eV/m 。因此, 同样能量的带电粒子在半导体中产生的电子2空穴对数要比气体中产生的离子对高一个数量级以上。这样电荷数的相对统计涨落也比气体小很多。第6页，共29页，2022年，5月20日，9点49分，星期五很宽的线性范围由于在一定能量范围

4、内, 半导体的平均电离能与入射粒子的基本能量无关, 故半导体探测器具有很好的线性, 很宽的线性范围。第7页，共29页，2022年，5月20日，9点49分，星期五非常快的响应时间在半导体探测器中, 由于采用微电子工艺的半导体探测器很薄, 它的电荷在很小的区域里收集, 响应时间非常快, 一般可达到5n s 左右。因此, 可以实现高计数率, 可超过108/cm2s。第8页，共29页，2022年，5月20日，9点49分，星期五体积可做得很小由于硅半导体密度大, 有一定的刚度, 它可以做得很薄并能自身支持, 典型的厚度是300m 左右, 当带电粒子穿过时, 大约可产生3. 2104 电子-空穴对。有的还

5、可做得更薄, 整个探测器可以作得很小。第9页，共29页，2022年，5月20日，9点49分，星期五硅微条探测器的缺点对辐射损伤比较灵敏, 如果受到强辐射其性能将变差。但各国科学家就此问题从技术上正在进行不断地改进提高。第10页，共29页，2022年，5月20日，9点49分，星期五硅微条探测器的结构和工作原理第11页，共29页，2022年，5月20日，9点49分，星期五从探测器横截面上看, 主要分这样几个部分:探测器表面: 有薄铝条, SiO2隔离条, 铝条下边是重掺p+条。中间部分: 是厚度大约为300m 的高阻n 型硅基, 作为探测器的灵敏区。底部: 是n 型硅掺入砷(As) 形成重掺杂n+

6、 层和铝薄膜组成的探测器的背衬电极。第12页，共29页，2022年，5月20日，9点49分，星期五微条(strips)是探测器的信号读出条, 它的宽窄和间距将影响探测器的空间分辨率。保护环(Guard rings)在探测器的四周, 起到屏蔽保护作用, 使探测器降低了噪声, 提高了抗辐射能力。多晶硅偏压电阻(Poly-silicon bias resistors)是集成在硅片上的, 它对于每个微条起保护作用，可以降低漏电流, 从而降低噪声。偏压连接带(Bias trace)是连接偏压电源到每一个微条的连接带。直流接触片(DC contact pad)是作直流耦合输出的接触点。交流接触片(AC c

7、ontact pads)是交流耦合输出的接触点, 一般信号读出是通过它们连到前置放大器的。第13页，共29页，2022年，5月20日，9点49分，星期五硅微条探测器的等效电路图。Cs为两个相邻微条之间的电容，Cb为每个微条与探测器背面之间电容，Cp为信号交流耦合输出的隔直电容，Cfb为电荷灵敏前置放大器的反馈电容，R p 为多晶硅偏压电阻, 图中的每个pn 结相当于每一根读出微条微结构。第14页，共29页，2022年，5月20日，9点49分，星期五硅微条探测器是在一个n 型硅片的表面上, 通过氧化和离子注入法, 局部扩散法, 表面位垒法及光刻等技术工艺制作成的。其表面是均匀平行的附有一层铝膜的

8、重搀杂p+微条。n 型硅片的整个底面掺入杂质后, 制成n 型重搀杂n+层, 其外层也附有一层铝, 作为电极接触。这样制成了表面均匀条形的pn结型单边读出的探测器。第15页，共29页，2022年，5月20日，9点49分，星期五中间部分的耗尽层是探测器的灵敏区, 当在这些条型pn结加上负偏压时, 耗尽层在外加电场的作用下, 随着电压升高而变厚。当电压足够高, 耗尽层几乎扩展到整个n- 型硅片, 基本达到了全耗尽, 死层变得非常薄。因为其内部可移动的载流子密度很低, 电阻率很高, 漏电流非常小(好的硅微条探测器漏电流小于100pA )。外加电压几乎全部加到耗尽区上, 形成很高的电场,。第16页，共2

9、9页，2022年，5月20日，9点49分，星期五在无辐射电离时, 基本没有信号产生。当有带电粒子穿过探测器的灵敏区时, 将产生电子空穴对, 在高电场的作用下, 电子向正极(底板)漂移, 空穴向靠近径迹的加负偏压的微条漂移，在这很小的区域内(探测器厚度在300m 左右) 收集电荷只需很短的时间(5ns左右)。在探测器的微条上很快就读出了这个空穴(实为电子) 运动产生的电荷信号。读出电子学得到这个电荷信号, 经过前置放大器将信号放大, 再经过模拟通道, 比较器, 模数转换(ADC) 后读入计算机。第17页，共29页，2022年，5月20日，9点49分，星期五根据探测器系统测得的带电粒子的信息, 及

10、带电粒子在各个微条上的位置参量, 可以确定各有关带电粒子的运动轨迹及对撞后末态粒子的次级顶点等。根据谱仪内的磁场强度和粒子运动的轨迹可以计算出每个带电粒子的动量。第18页，共29页，2022年，5月20日，9点49分，星期五在设计、制作和使用硅微条探测器时需要考虑的一个重要原则问题是带电粒子在半导体探测器中的散射角度与探测器的厚度问题。因为半导体的密度比较大, 带电粒子穿过探测器时, 在探测器内部要经过多次散射。如果带电粒子的能量不高, 探测器比较厚, 粒子在探测器内经过很多次散射后, 角度偏转比较大, 这将不利于粒子的径迹和顶点精确测量。如果探测器太薄了, 虽然散射次数减少, 偏转角度小了,

11、 但探测效率降低了。因此, 一定要根据被探测粒子的能量及实验对散射偏转角度的要求, 恰当的选择探测器厚度。第19页，共29页，2022年，5月20日，9点49分，星期五硅微条探测器的发展第20页，共29页，2022年，5月20日，9点49分，星期五探测器技术及半导体各种技术工艺和光刻技术的发展, 硅微条及一些相关的半导体探测器都得到了快速的发展和应用。如双边读出的硅微条探测器、像素探测器、硅漂移室、CCD、硅片探测器。第21页，共29页，2022年，5月20日，9点49分，星期五双边读出的硅微条探测器双边读出的硅微条探测器也是基于pn结的工作原理, 在一片n型硅片的两面,通过先进的技术工艺,

12、分别制成重搀杂p+型和n+型微条。有p+型和n+型上下两层读出条, 这两层读出条相交成一定的角度，具有两维的位置测试能力。它的结边(p-side) 的结构设计特征像单边读出的微条探测器,; 而欧姆边(n-side) , 为防止条之间的短路, 需要复杂的设计及技术工艺, 其中包括条之间的电子学绝缘问题。双边读出的硅微条探测器的工作原理也是因为加负偏压, 实现基本全耗尽, 动态电阻很大, 漏电流很小, 同时减小了电容, 压低噪声。第22页，共29页，2022年，5月20日，9点49分，星期五像素(Pixel) 探测器像素探测器也是根据pn结的原理研制成功的, 它的内部是由许多精心设计好的非常小的p

13、n 结(二极管) 组成。它能够非常快的提供两维的信息。每一个小室(cell) 都连接它自己的读出电子学。这样制成的像素探测器对于高多重性、高事例率的实验是非常有用的。它不像双层硅微条探测器那样,在多个粒子同时打到探测器的一个读出条有时会出现位置分辨模糊。像素探测器具有非常好的位置分辨率, 在每单位面积上需要大量的电子学路数。这种像素探测器只用单边的技术工艺而提供了两维的高位置分辨率。已经被用到LHC 高能物理实验中。第23页，共29页，2022年，5月20日，9点49分，星期五电荷耦合器件CCD (Charge Coupled Device) 作为光学探测器， 已经使用几十年了, 过去用在光测

14、量和摄像机上, 近些年科学家们已直接把它用作高能物理探测器， 因为CCD 作为粒子探测器, 探测的不再是光, 而是带电粒子, 所以它的结构也有些变化。当带电粒子射入探测器时产生电子-空穴对, 电荷传输在CCD 很薄的耗尽区内。电荷从一个小室向另一个小室的漂移, 移向边缘那一列信号输出电极。因为信号输出电极及读出电子学路数都少, 因此这种探测器的信号读出比较慢。第24页，共29页，2022年，5月20日，9点49分，星期五硅漂移室硅漂移室是在n型的硅片的两个表面, 注入杂质，形成重搀杂p+条, 由此形成两个耗尽层夹着一个未耗尽的区域。在边缘形成一个n+微条与中间未耗尽区相连, 当外加一定的负偏压

15、后,使整个硅片实现全耗尽。硅片内部的电位分布,在z 方向成为抛物线型, 中心的电位最低而靠近两个表面的部位最高。第25页，共29页，2022年，5月20日，9点49分，星期五当带电粒子穿过探测器时产生电子空穴对, 电子就会落入低电位的谷中, 然后沿着电场的x 方向分量向微条n+漂移,形成电信号。通过测量电子的漂移时间及被分割开的n+读出微条上的坐标就得到了入射粒子的两维位置信息。另外, 电子在耗尽区漂移很长距离才到达面积很小的正电极, 电极之间的电容很小, 因此噪声减小, 有利于提高能量分辨率。普通的半导体探测器的计数率一般在几十kHz 以下, 硅漂移室由于其电容小, 相应的脉冲成形时间也很短(大约为100n s) , 硅漂移室的漂移时间虽然比较长, 但它的计数率并不受此影响, 硅漂移室允许计数率比一般的半导体探测器高几十倍。它的时间分辨可小于1ns, 并且它有两维的位置分辨, 其中按漂移方向的位置分辨率可达到几个m。它的缺点是电极结构复杂, 探测器价格较高。第26页，共29页，2022年，5月20日，9点49分，星期五硅微条探测器的应用第27页，共29页，2022年，5月20日，9点49分，星期五硅微条室用作ATLAS顶点探测器第28页，共29页，2022年，5月20日，9点49分，星期五