硅微條探測器

1、硅微條探測器Silicon Strip Detector2004年3月15日星期一1硅微條探測器的位置分辨率可好于1.4m, 這是任何氣體探測器和閃爍探測器很難作到的。2硅微條探測器的特點3隨著半導體技術的迅速發(fā)展，半導體粒子探測器也有了很大的發(fā)展。其中, 硅微條探測器SMD ( Silicon Micro strip Detector) 的發(fā)展和應用是非常突出的一個。近十幾年來, 世界各大高能物理實驗室?guī)缀醵疾捎盟鳛轫旤c探測器：ATLA S 和CM S 作為探測粒子徑跡的徑跡室( tracker)。在核醫(yī)學領域的CT 和其它數(shù)字化圖像方面的應用研究, 也有了很多新的進展。4非常好的位置分辨

2、率這是硅微條探測器最突出的特點。它的位置分辨率是目前應用的各種探測器中最高的,目前可做到1. 4m。主要因為固體的密度比氣體大100 倍左右, 帶電粒子穿過探測器, 產生的電子2空穴對(e-h) 的密度非常高, 大約為110e-h/m。另外由于現(xiàn)代半導體技術工藝, 光刻技術及高集成度低噪聲讀出電子學的飛速發(fā)展, 每個讀出條可對應一路讀出電子學, 更有利于空間分辨率的提高。5很高的能量分辨率半導體探測器的能量分辨率比氣體探測器大約高一個數(shù)量級, 比閃爍計數(shù)器高得更多。這是因為在硅半導體中電離產生一對電子2空穴對(e-h) 只需要3eV左右的能量, 而氣體中產生一對離子對所需能量大約為30eV ,

3、 塑料閃爍探測器在光陰極上產生一個光電子需要的能量大約為300eV。帶電粒子在硅半導體中的能量損失也很高, 在硅晶體中, 能量損失大約390eV/m 。因此, 同樣能量的帶電粒子在半導體中產生的電子2空穴對數(shù)要比氣體中產生的離子對高一個數(shù)量級以上。這樣電荷數(shù)的相對統(tǒng)計漲落也比氣體小很多。6很寬的線性范圍由于在一定能量范圍內, 半導體的平均電離能與入射粒子的基本能量無關, 故半導體探測器具有很好的線性, 很寬的線性范圍。7非?？斓捻憫獣r間在半導體探測器中, 由于采用微電子工藝的半導體探測器很薄, 它的電荷在很小的區(qū)域里收集, 響應時間非?？? 一般可達到5n s 左右。因此, 可以實現(xiàn)高計數(shù)率,

4、 可超過108/cm2s。8體積可做得很小由于硅半導體密度大, 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300m 左右, 當帶電粒子穿過時, 大約可產生3. 2104 電子-空穴對。有的還可做得更薄, 整個探測器可以作得很小。9硅微條探測器的缺點對輻射損傷比較靈敏, 如果受到強輻射其性能將變差。但各國科學家就此問題從技術上正在進行不斷地改進提高。10硅微條探測器的結構和工作原理11從探測器橫截面上看, 主要分這樣幾個部分:探測器表面: 有薄鋁條, SiO2隔離條, 鋁條下邊是重摻p+條。中間部分: 是厚度大約為300m 的高阻n 型硅基, 作為探測器的靈敏區(qū)。底部: 是n 型

5、硅摻入砷(As) 形成重摻雜n+ 層和鋁薄膜組成的探測器的背襯電極。12微條(strips)是探測器的信號讀出條, 它的寬窄和間距將影響探測器的空間分辨率。保護環(huán)(Guard rings)在探測器的四周, 起到屏蔽保護作用, 使探測器降低了噪聲, 提高了抗輻射能力。多晶硅偏壓電阻(Poly-silicon bias resistors)是集成在硅片上的, 它對于每個微條起保護作用，可以降低漏電流, 從而降低噪聲。偏壓連接帶(Bias trace)是連接偏壓電源到每一個微條的連接帶。直流接觸片(DC contact pad)是作直流耦合輸出的接觸點。交流接觸片(AC contact pads)是

6、交流耦合輸出的接觸點, 一般信號讀出是通過它們連到前置放大器的。13硅微條探測器的等效電路圖。Cs為兩個相鄰微條之間的電容，Cb為每個微條與探測器背面之間電容，Cp為信號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，R p 為多晶硅偏壓電阻, 圖中的每個pn 結相當于每一根讀出微條微結構。14硅微條探測器是在一個n 型硅片的表面上, 通過氧化和離子注入法, 局部擴散法, 表面位壘法及光刻等技術工藝制作成的。其表面是均勻平行的附有一層鋁膜的重攙雜p+微條。n 型硅片的整個底面摻入雜質后, 制成n 型重攙雜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

7、型單邊讀出的探測器。15中間部分的耗盡層是探測器的靈敏區(qū), 當在這些條型pn結加上負偏壓時, 耗盡層在外加電場的作用下, 隨著電壓升高而變厚。當電壓足夠高, 耗盡層幾乎擴展到整個n- 型硅片, 基本達到了全耗盡, 死層變得非常薄。因為其內部可移動的載流子密度很低, 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,。16在無輻射電離時, 基本沒有信號產生。當有帶電粒子穿過探測器的靈敏區(qū)時, 將產生電子空穴對, 在高電場的作用下, 電子向正極(底板)漂移, 空穴向靠近徑跡的加負偏壓的微條漂移，在這很小的區(qū)域內(探測器厚度在300

8、m 左右) 收集電荷只需很短的時間(5ns左右)。在探測器的微條上很快就讀出了這個空穴(實為電子) 運動產生的電荷信號。讀出電子學得到這個電荷信號, 經過前置放大器將信號放大, 再經過模擬通道, 比較器, 模數(shù)轉換(ADC) 后讀入計算機。17根據(jù)探測器系統(tǒng)測得的帶電粒子的信息, 及帶電粒子在各個微條上的位置參量, 可以確定各有關帶電粒子的運動軌跡及對撞后末態(tài)粒子的次級頂點等。根據(jù)譜儀內的磁場強度和粒子運動的軌跡可以計算出每個帶電粒子的動量。18在設計、制作和使用硅微條探測器時需要考慮的一個重要原則問題是帶電粒子在半導體探測器中的散射角度與探測器的厚度問題。因為半導體的密度比較大, 帶電粒子穿

9、過探測器時, 在探測器內部要經過多次散射。如果帶電粒子的能量不高, 探測器比較厚, 粒子在探測器內經過很多次散射后, 角度偏轉比較大, 這將不利于粒子的徑跡和頂點精確測量。如果探測器太薄了, 雖然散射次數(shù)減少, 偏轉角度小了, 但探測效率降低了。因此, 一定要根據(jù)被探測粒子的能量及實驗對散射偏轉角度的要求, 恰當?shù)倪x擇探測器厚度。19硅微條探測器的發(fā)展20探測器技術及半導體各種技術工藝和光刻技術的發(fā)展, 硅微條及一些相關的半導體探測器都得到了快速的發(fā)展和應用。如雙邊讀出的硅微條探測器、像素探測器、硅漂移室、CCD、硅片探測器。21雙邊讀出的硅微條探測器雙邊讀出的硅微條探測器也是基于pn結的工作

10、原理, 在一片n型硅片的兩面,通過先進的技術工藝, 分別制成重攙雜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，具有兩維的位置測試能力。它的結邊(p-side) 的結構設計特征像單邊讀出的微條探測器,; 而歐姆邊(n-side) , 為防止條之間的短路, 需要復雜的設計及技術工藝, 其中包括條之間的電子學絕緣問題。雙邊讀出的硅微條探測器的工作原理也是因為加負偏壓, 實現(xiàn)基本全耗盡, 動態(tài)電阻很大, 漏電流很小, 同時減小了電容, 壓低噪聲。22像素(Pixel) 探測器像素探測器也是根據(jù)pn結的原理研制成功的, 它的內部是由許多精心設計好的非常小的pn 結

11、(二極管) 組成。它能夠非?？斓奶峁﹥删S的信息。每一個小室(cell) 都連接它自己的讀出電子學。這樣制成的像素探測器對于高多重性、高事例率的實驗是非常有用的。它不像雙層硅微條探測器那樣,在多個粒子同時打到探測器的一個讀出條有時會出現(xiàn)位置分辨模糊。像素探測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路數(shù)。這種像素探測器只用單邊的技術工藝而提供了兩維的高位置分辨率。已經被用到LHC 高能物理實驗中。23電荷耦合器件CCD (Charge Coupled Device) 作為光學探測器， 已經使用幾十年了, 過去用在光測量和攝像機上, 近些年科學家們已直接把它用作高能物理探測器， 因

12、為CCD 作為粒子探測器, 探測的不再是光, 而是帶電粒子, 所以它的結構也有些變化。當帶電粒子射入探測器時產生電子-空穴對, 電荷傳輸在CCD 很薄的耗盡區(qū)內。電荷從一個小室向另一個小室的漂移, 移向邊緣那一列信號輸出電極。因為信號輸出電極及讀出電子學路數(shù)都少, 因此這種探測器的信號讀出比較慢。24硅漂移室硅漂移室是在n型的硅片的兩個表面, 注入雜質，形成重攙雜p+條, 由此形成兩個耗盡層夾著一個未耗盡的區(qū)域。在邊緣形成一個n+微條與中間未耗盡區(qū)相連, 當外加一定的負偏壓后,使整個硅片實現(xiàn)全耗盡。硅片內部的電位分布,在z 方向成為拋物線型, 中心的電位最低而靠近兩個表面的部位最高。25當帶電

13、粒子穿過探測器時產生電子空穴對, 電子就會落入低電位的谷中, 然后沿著電場的x 方向分量向微條n+漂移,形成電信號。通過測量電子的漂移時間及被分割開的n+讀出微條上的坐標就得到了入射粒子的兩維位置信息。另外, 電子在耗盡區(qū)漂移很長距離才到達面積很小的正電極, 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。普通的半導體探測器的計數(shù)率一般在幾十kHz 以下, 硅漂移室由于其電容小, 相應的脈沖成形時間也很短(大約為100n s) , 硅漂移室的漂移時間雖然比較長, 但它的計數(shù)率并不受此影響, 硅漂移室允許計數(shù)率比一般的半導體探測器高幾十倍。它的時間分辨可小于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到幾個m。它的缺點是電極結構復雜, 探測器價格較高。26硅微條探測器的應用27硅微條室用作ATLAS頂點探測器28硅片探測器硅片探測器是由