大面积螺旋状六边形双面硅漂移探测器及其设计方法技术

本发明专利技术属于深空探测技术领域，公开了一种大面积螺旋状六边形双面硅漂移探测器及其设计方法，大面积螺旋状六边形双面硅漂移探测器设计方法包括以下步骤：确定硅漂移探测器前后表面的电势；拟采用数学变分法计算载流子在硅漂移探测器中漂移时从点S1到点S2的最佳漂移路径；确定最佳漂移路径的常数漂移电场；计算硅漂移探测器螺旋形状的阴极的宽度分布。本发明专利技术通过对SDD载流子漂移行为规律与重掺杂电极生长的分析，从新结构、新型工艺集成设计与光的粒子性理论计算方法入手，设计具有双面相关的既保持均匀电子漂移电场又提供平滑漂移轨迹的双面电极，建立强度在0.5～15keV软X射线粒子的高能量分辨率、高效收集SDD的创新设计制作方式。

Large area helical hexagonal double-sided silicon drift detector and its design method

The invention belongs to the field of deep space detection technology, and discloses a large area helical hexagon double-sided silicon drift detector and its design method. The design method of large area helical hexagon double-sided silicon drift detector includes the following steps: determining the potential of the front and rear surfaces of the silicon drift detector; using mathematical variational method to calculate the current carrying capacity. The optimum drift path from point S1 to point S2 when the sub drifts in the silicon drift detector; the constant drift electric field of the optimum drift path; and the width distribution of the helical cathode of the silicon drift detector. Through the analysis of SDD carrier drift behavior and the growth of heavily doped electrodes, starting with the new structure, new process integration design and the theoretical calculation method of light particle properties, the double-sided electrodes with two-sided correlation are designed, which not only maintain uniform electron drift electric field but also provide smooth drift trajectory, and the strength is 0.5-15 keV. Innovative design and fabrication of high energy resolution and high efficiency SDD collection for soft X-ray particles.

【技术实现步骤摘要】
大面积螺旋状六边形双面硅漂移探测器及其设计方法
本专利技术属于深空探测
，尤其涉及一种大面积螺旋状六边形双面硅漂移探测器及其设计方法。
技术介绍
目前，业内常用的现有技术是这样的：X射线脉冲星是大质量恒星演化、坍缩、超新星爆发的遗迹，具有极其稳定的自转周期(稳定度优于10-19s/s)，被誉为自然界最精准的天文时钟，能够为近地空间、深空探测和星际飞行航天器提供位置、速度、时间和姿态等高精度导航信息，基于脉冲星的导航是永不可被摧毁的新型导航体制。与GPS、北斗导航方式相比，新体制脉冲星导航技术在近地面及深空自主导航应用方面有着不可比拟的优势。但脉冲星X射线辐射流量非常低(10-5ph/s/cm2)，探测难度大，因此X射线探测器是组成脉冲星导航系统的核心部件。国际上X射线探测器的研究，朝着具有低功耗、高能量分辨率的硅漂移室探测器(SiliconDriftDetector，SDD)技术方向发展，以满足X射线脉冲星自主导航授时系统高性能、大区域覆盖、高可用性的重大技术需求。目前国际上的SDD面积小且价格昂贵，而国内尚无成熟技术。综上所述，现有技术存在的问题是：国际上硅漂移探测器的典型面积为50mm2左右，价格为10万元左右。因为探测器设计的科学问题及物理问题复杂繁琐，目前世界上顶尖的SDD生产厂家，如KETEC和AMTEK公司，依然没有攻克大面积单元SDD的设计和制备技术，目前国内的SDD研究也依然停留在小单元面积的阶段，在研的高校研究所以及企业均高度依赖进口。一旦大面积SDD单元的设计与制作技术瓶颈攻破，对于中国探测器的发展，以及应用探测器的各领域均会起到重要作用。。解决上述技术问题的难度和意义：由于国外的技术封锁，且国内基础研究的缺失，目前国内尚无大面积SDD及其阵列的设计制作等研发技术。针对脉冲星X射线探测及导航系统大数据库建立问题，急需加快开展我国应用于X射线脉冲星自主导航授时系统的高能量分辨率SDD关键技术攻关与试验验证，开展超纯高阻硅材料硅漂移探测器(SiliconDriftDetector,SDD)载流子漂移行为规律，重掺杂电极生长规律，大型SDD阵列物理结构承载机理，抢占科技战略制高点，实现探测器技术的跨越式发展，对于突破国内脉冲星自主定位导航授时系统的技术瓶颈具有极其重要的意义。本专利技术通过对SDD载流子漂移行为规律与重掺杂电极生长的分析，从新结构、新型工艺集成设计与光的粒子性理论计算方法入手，设计具有双面相关的既保持均匀电子漂移电场又提供平滑漂移轨迹的双面电极，建立强度在0.5～15keV软X射线粒子的高能量分辨率、高效收集SDD的创新设计制作方式。该探测器克服国际上探测器面积小的缺点，在单元面积大(314mm2至2827mm2)的基础上，进一步提高能量分辨率，减少耗能，减少噪音等。对于脉冲星探测所需的平米级的探测器阵列而言，大面积探测器单元减少了阵列形成所需的探测器个数，减少阵列拼接时的物理机械受力等难度，进一步节约成本，为航天航空以及深空探测的发展提供了前言技术支撑。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种大面积螺旋状六边形双面硅漂移探测器及其设计方法，攻克国际上SDD单元面积小，拼接阵列成本高的问题，同时实现软X射线的高能量分辨率2.0％@5.9keV的超越。本专利技术是这样实现的，一种大面积螺旋状六边形双面硅漂移探测器的设计方法，包括以下步骤：(1)确定硅漂移探测器前后表面的电势：圆柱形硅漂移探测器的内部漂移电场与探测器的上下两个表面电势分布有关，圆柱形硅漂移探测器内部的任何一点(r,x,θ)的负电势应满足以下条件：其中，x为探测器厚度方向的坐标，r为沿着圆柱形半径方向的坐标，θ为角坐标，这样泊松方程可以简化为以下形式：其中Neff是SDD的有效掺杂浓度，方程(2)的解即为：其中，Vfd＝qNDd2/2ε0ε为全耗尽电压，d是SDD的厚度，Φ(r)和Ψ(r)分别是前后表面的电势(x＝0和x＝d)：Φ(r)＝φ(r,x＝0)andΨ(r)＝φ(r,x＝d)。(2)拟采用数学变分法计算载流子在硅漂移探测器中漂移时从点S1到点S2的最佳漂移路径(如图2所示)：假定反面的电压分布与正面的电压分布是成正比的，有：Ψ(r)＝VB+γΦ(r)(0≤γ＜1)(5)进而可得到最佳的漂移路径；(3)确定最佳漂移路径的常数漂移电场：满足沿着最佳漂移路径上的电场为一常数，即Edr,r(r,xch(r))＝Edr,r，而得到的常数漂移电场的表面电势分布须由如下方程确定：其对应的表面电场分布为：Vfd为全耗尽电压，分析可知，常数漂移电场完全由所加的电压决定：(4)计算硅漂移探测器螺旋形状的阴极的宽度分布：对于一个螺旋间距的特例，即间距p(r)与成正比：其中p1是第一圈的间距，r1是第一圈的半径，它们可以在设计时确定，在这种情况下，硅漂移探测器螺旋形状的阴极可由以下方程确定：其中是螺旋旋转时连续增加的旋转角度；硅漂移探测器螺旋形状的阴极的宽度分布为：其中，ρs是螺旋形状阴极离子注入层的方块电阻，I是螺旋形状阴极的总电流，α是由螺旋阴极的几何形状决定的，但在实际应用中为了形成更加紧凑的硅漂移探测器阵列，螺旋形状可以选成近圆形，如正六边形(α＝6)，或正方形本专利技术的另一目的在于提供一种大面积螺旋状六边形双面硅漂移探测器。其中，1是正面阳极电极，为重掺杂的N型半导体硅；2为正面阴极电极，为重掺杂的P型半导体硅，其形状为六边形的螺旋状；3为正面保护环；4是硅体，为轻掺杂的N型半导体硅；5是反面的阴极电极，为重掺杂的P型半导体硅，其形状为六边形的螺旋状；6为反面的保护环，各环之间为二氧化硅层。在硅体的一面制作阳极以及阴极电极，称为正面。在硅体的另一面制作阴极电极，没有阳极电极的一面称为反面。正面阴极电极和反面阴极电极均为六边形的螺旋状。保护环位于探测器阴极最外环的外面，起到包围保护的作用。综上所述，本专利技术的优点及积极效果为：本专利技术通过对SDD载流子漂移行为规律与重掺杂电极生长的分析，从新结构、新型工艺集成设计与光的粒子性理论计算方法入手，设计具有双面相关的既保持均匀电子漂移电场又提供平滑漂移轨迹的双面电极，建立强度在0.5～15keV软X射线粒子的高能量分辨率、高效收集SDD的创新设计制作方式。该探测器克服国际上探测器面积小的缺点，在单元面积大(314mm2至2827mm2)的基础上，进一步提高能量分辨率，减少耗能，减少噪音等。对于脉冲星探测所需的平米级的探测器阵列而言，大面积探测器单元减少了阵列形成所需的探测器个数，减少阵列拼接时的物理机械受力等难度，进一步节约成本，为航天航空以及深空探测的发展提供了前言技术支撑。下表为本专利技术的指标与国际上先进的SDD技术指标的对比，对比的是德国KETEK公司的SDD最新产品指标，如表1所示。表1：本专利技术与国际先进SDD技术的指标对比附图说明图1是本专利技术实施例提供的大面积螺旋状的六边形双面硅漂移探测器三维结构示意图。如图中标示，1是正面阳极电极，为重掺杂的N型半导体硅；2为正面阴极电极，为重掺杂的P型半导体硅，其形状为六边形的螺旋状；3为正面保护环；4是硅体，为轻掺杂的N型半导体硅；5是反面的阴极电极，为重掺杂的P型半导体硅，其形状为六边形的螺旋状；6为反面的保护本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大面积螺旋状六边形双面硅漂移探测器的设计方法，其特征在于，所述大面积螺旋状六边形双面硅漂移探测器的设计方法，包括以下步骤：(1)确定硅漂移探测器前后表面的电势：圆柱形硅漂移探测器的内部漂移电场与探测器的上下两个表面电势分布有关，圆柱形硅漂移探测器内部的任何一点(r,x,θ)的负电势应满足以下条件：

【技术特征摘要】
1.一种大面积螺旋状六边形双面硅漂移探测器的设计方法，其特征在于，所述大面积螺旋状六边形双面硅漂移探测器的设计方法，包括以下步骤：(1)确定硅漂移探测器前后表面的电势：圆柱形硅漂移探测器的内部漂移电场与探测器的上下两个表面电势分布有关，圆柱形硅漂移探测器内部的任何一点(r,x,θ)的负电势应满足以下条件：其中，x为探测器厚度方向的坐标，r为沿着圆柱形半径方向的坐标，θ为角坐标，这样泊松方程可以简化为以下形式：其中Neff是SDD的有效掺杂浓度，方程(2)的解即为：其中，Vfd＝qNDd2/2ε0ε为全耗尽电压，d是SDD的厚度，Φ(r)和Ψ(r)分别是前后表面的电势(x＝0和x＝d)：Φ(r)＝φ(r,x＝0)andΨ(r)＝φ(r,x＝d)。(2)拟采用数学变分法计算载流子在硅漂移探测器中漂移时从点S1到点S2的最佳漂移路径：假定反面的电压分布与正面的电压分布是成正比的，有：Ψ(r)＝VB+γΦ(r)(0≤γ＜1)(5)进而可得到最佳的漂移路径；(3)确定最佳漂移路径的常数漂移电场：满足沿着...

【专利技术属性】
技术研发人员：李正，刘曼文，
申请(专利权)人：李正，
类型：发明
国别省市：湖南,43