基于分压电阻和漂浮电极的硅漂移探测器及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于分压电阻和漂浮电极的硅漂移探测器及其设计方法，硅漂移探测器包括圆柱状的硅基体，硅基体顶面中间设有收集阳极，收集阳极外侧设有数圈正面阴极环，收集阳极与正面阴极环之间、正面阴极环之间设有正面漂浮电极，硅基体底面从圆心向外设有数圈背面阴极环，背面阴极环之间设有背面漂浮电极，背面阴极环的位置、尺寸与收集阳极、正面阴极环相同，收集阳极、正面阴极环和背面阴极环上附着有铝金属，正面漂浮电极表面附着有正面分压电阻圈，背面漂浮电极表面附着有背面分压电阻圈，正面分压电阻圈、背面分压电阻圈和铝金属之间设有二氧化硅；本发明专利技术使用时无需外接分压器，使用方便，且内部电势分布均匀，对入射粒子检测准确度高。

【技术实现步骤摘要】
基于分压电阻和漂浮电极的硅漂移探测器及其设计方法
本专利技术属于深空探测
，特别是涉及一种基于分压电阻和漂浮电极的硅漂移探测器及其设计方法。
技术介绍
传统的同心圆硅漂移探测器在工作时，需要在电阻库中寻找与之相匹配的电阻来实现正反面的分压，从而形成电子漂移轨道，对入射粒子进行检测，该过程中由于偏置电压的连续性使匹配相应电阻的难度增大；若在传统同心圆硅漂移探测器上外接分压器，使同心圆硅漂移探测器设计往大面积方向发展，外接分压器使芯片的集成难度增加，同心圆硅漂移探测器使用不方便。美国BrookhavenNationalLaboratory,BNL实验室提出了螺旋形分压器的概念，将硅漂移探测器的阴极环制成螺旋环形从而实现硅漂移探测器的自动分压，但利用螺旋形阴极分压，硅漂移探测器的电势对称性有所缺失。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于分压电阻和漂浮电极的硅漂移探测器，在阴极环之间沉积一定宽度和电阻率的分压电阻以实现分压，使同心圆硅漂移探测器方便使用，在收集阳极和阴极环之间及阴极环之间制备漂浮电极，使得同心圆硅漂移探测器内部的电势梯度均匀分布。本专利技术的目的在于提供一种基于分压电阻和漂浮电极的硅漂移探测器的设计方法，该设计方法计算简单，设计的硅漂移探测器结构和性能均能够满足使用需求。本专利技术所采用的技术方案是，基于分压电阻和漂浮电极的硅漂移探测器，包括圆柱体状的硅基体，所述硅基体的正面中间掺杂有收集阳极，所述收集阳极周围的硅基体表面掺杂有数圈正面阴极环，所述收集阳极与正面阴极环之间、相邻正面阴极环之间掺杂有正面漂浮电极，所述收集阳极和正面阴极环顶面设有铝金属，所述正面漂浮电极顶面设有数圈正面分压电阻圈，所述铝金属与正面分压电阻圈之间、正面分压电阻圈之间设有二氧化硅；所述硅基体底面从圆心向外掺杂有数圈背面阴极环，所述背面阴极环的尺寸、位置与收集阳极、正面阴极环相同，所述背面阴极环之间掺杂有背面漂浮电极，所述背面漂浮电极的位置、尺寸与正面漂浮电极相同，所述背面阴极环底面设有铝金属，所述背面漂浮电极底面设有数圈背面分压电阻圈，所述背面分压电阻圈与正面分压电阻圈的位置、尺寸相同，所述铝金属与背面分压电阻圈之间、背面分压电阻圈之间设有二氧化硅。进一步的，所述收集阳极与正面分压电阻圈之间、正面分压电阻圈之间、正面分压电阻圈与正面阴极环之间的间距相同，所述正面阴极环与背面阴极环的宽度从收集阳极向外逐渐递增，所述正面漂浮电极和背面漂浮电极的宽度从收集阳极向外逐渐递减，所述铝金属、正面分压电阻圈和背面分压电阻圈的厚度均为1μm。进一步的，所述收集阳极为N型重掺杂材料，所述正面阴极环、正面漂浮电极、背面阴极环和背面漂浮电极为P型重掺杂材料，所述硅基体为N型超纯高阻硅晶圆。进一步的，所述收集阳极的掺杂浓度为1×1019/cm3，所述正面阴极环、正面漂浮电极、背面阴极环和背面漂浮电极的掺杂浓度为1×1019/cm3，所述硅基体的掺杂浓度为1×1012/cm3。基于分压电阻和漂浮电极的硅漂移探测器的设计方法，具体包括以下步骤：S1，确定同心圆硅漂移探测器内部的电势，同心圆硅漂移探测器内部任意点的电势应满足公式(1)：公式(1)中x为同心圆硅漂移探测器厚度方向的坐标，r为同心圆硅漂移探测器半径方向的坐标，θ为角坐标，由公式(1)可知同心圆硅漂移探测器内任意点的电势与该点空间电荷量q的泊松方程如公式(2)所示：公式(2)中Neff为同心圆硅漂移探测器中硅基体的有效掺杂浓度，ε0为真空介电常数，ε为硅的介电常数，泊松方程的解为其中Φ(r)为同心圆硅漂移探测器正面的电势，ψ(r)为同心圆硅漂移探测器背面的电势，即Vfd为全耗尽电压，Vfd＝qNDd2/2ε0ε，ND为硅基体的掺杂浓度，d是同心圆硅漂移探测器的厚度；由于入射粒子的最佳漂移轨道为直线，所以同心圆硅漂移探测器正面和背面的电势应满足如下关系：VB为同心圆硅漂移探测器背面由内至外第一个背面阴极环的电压，γ为一常数；S2，确定同心圆硅漂移探测器的基本结构参数，S21，同心圆硅漂移探测器的有效串联噪音ENCseries与输入电容ct的关系如公式(3)所示：公式(3)中en为波数为n的波的能量，h'(t)为冲激响应，tpeak为输入信号峰值响应时间，有效串联噪音ENCseries与输入电容ct成正比，为减小输入电容将收集阳极的半径ranode设为100μm；S22，将正面分压电阻圈的宽度wR设为10μm；S23，正面分压电阻圈与收集阳极之间的间距、正面分压电阻圈之间的间距、正面分压电阻圈与正面阴极环之间的间距GR＝10μm；S24，最靠近收集阳极的正面阴极环的宽度S3，两相邻正面阴极环之间的正面分压电阻圈的总电阻其中i表示从收集阳极向外数第i个正面阴极环，Ri表示第i个正面阴极环与第(i-1)个正面阴极环之间正面分压电阻圈的总阻值，RALD为原子沉积分压电阻的阻值，ρ表示正面分压电阻圈的电阻率，ri表示两相邻正面阴极环之间正面分压电阻圈的平均半径，t表示正面分压电阻圈的厚度，α为单位半径圆的周长，即半径为1的圆的周长，α＝2π；S4，按照如下过程计算两相邻正面阴极环间正面分压电阻圈的圈数：由得到收集阳极与第一个正面阴极环之间的正面分压电阻圈圈数表示收集阳极与第一个正面阴极环之间的由内至外第一圈正面分压电阻圈的电阻值，以此类推获得所有相邻正面阴极环之间的正面分压电阻圈圈数；S5，根据两相邻正面阴极环之间正面分压电阻圈的圈数获得各正面阴极环的半径，收集阳极与第一个正面阴极环之间的正面分压电阻圈的半径由内至外分别为：其中表示由内至外第一圈正面分压电阻圈的半径，表示由内至外第二圈正面分压电阻圈的半径；从收集阳极向外数第一个正面阴极环的半径：以此类推获得所有正面阴极环的半径；S6，根据两相邻正面阴极环之间的正面分压电阻圈圈数，按照公式(4)确定同心圆硅漂移探测器中两相邻正面阴极环外侧的间距p0，进而确定各正面漂浮电极的宽度；公式(4)中表示从收集阳极向外数第i个正面阴极环的宽度，表示第i个正面阴极环与第(i-1)个正面阴极环之间的间距，mi表示第i个正面阴极环与第(i-1)个正面阴极环之间的正面分压电阻圈圈数，GR表示相邻正面分压电阻圈之间的间距，wR表示正面分压电阻圈的宽度；由于正面漂浮电极与相邻正面阴极环的间距均为GR，根据两相邻正面阴极环外侧的间距p0确定各正面漂浮电极的宽度；S7，由于同心圆硅漂移探测器底面的背面分压电阻圈、背面阴极环和背面漂浮电极的设置与其正面相同，所以按照上述步骤在硅基体上掺杂收集阳极、正面阴极环、正面漂浮电极、背面漂浮电极和背面阴极环，并在收集阳极、正面阴极环和背面阴极环顶面附着铝金属，在正面漂浮电极、背面漂浮电极顶面附着正面分压电阻圈和背面分压电阻圈。本专利技术的有益效果是：本专利技术在硅漂移探测器的阴极环之间原子层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于分压电阻和漂浮电极的硅漂移探测器，其特征在于，包括圆柱体状的硅基体(4)，所述硅基体(4)的正面中间掺杂有收集阳极(1)，所述收集阳极(1)周围的硅基体(4)表面掺杂有数圈正面阴极环(3)，所述收集阳极(1)与正面阴极环(3)之间、相邻正面阴极环(3)之间掺杂有正面漂浮电极(5)，所述收集阳极(1)和正面阴极环(3)顶面设有铝金属(9)，所述正面漂浮电极(5)顶面设有数圈正面分压电阻圈(2)，所述铝金属(9)与正面分压电阻圈(2)之间、正面分压电阻圈(2)之间设有二氧化硅；/n所述硅基体(4)底面从圆心向外掺杂有数圈背面阴极环(6)，所述背面阴极环(6)的尺寸、位置与收集阳极(1)、正面阴极环(3)相同，所述背面阴极环(6)之间掺杂有背面漂浮电极(8)，所述背面漂浮电极(8)的位置、尺寸与正面漂浮电极(5)相同，所述背面阴极环(6)底面设有铝金属(9)，所述背面漂浮电极(8)底面设有数圈背面分压电阻圈(7)，所述背面分压电阻圈(7)与正面分压电阻圈(2)的位置、尺寸相同，所述铝金属(9)与背面分压电阻圈(7)之间、背面分压电阻圈(7)之间设有二氧化硅。/n

【技术特征摘要】
1.基于分压电阻和漂浮电极的硅漂移探测器，其特征在于，包括圆柱体状的硅基体(4)，所述硅基体(4)的正面中间掺杂有收集阳极(1)，所述收集阳极(1)周围的硅基体(4)表面掺杂有数圈正面阴极环(3)，所述收集阳极(1)与正面阴极环(3)之间、相邻正面阴极环(3)之间掺杂有正面漂浮电极(5)，所述收集阳极(1)和正面阴极环(3)顶面设有铝金属(9)，所述正面漂浮电极(5)顶面设有数圈正面分压电阻圈(2)，所述铝金属(9)与正面分压电阻圈(2)之间、正面分压电阻圈(2)之间设有二氧化硅；
所述硅基体(4)底面从圆心向外掺杂有数圈背面阴极环(6)，所述背面阴极环(6)的尺寸、位置与收集阳极(1)、正面阴极环(3)相同，所述背面阴极环(6)之间掺杂有背面漂浮电极(8)，所述背面漂浮电极(8)的位置、尺寸与正面漂浮电极(5)相同，所述背面阴极环(6)底面设有铝金属(9)，所述背面漂浮电极(8)底面设有数圈背面分压电阻圈(7)，所述背面分压电阻圈(7)与正面分压电阻圈(2)的位置、尺寸相同，所述铝金属(9)与背面分压电阻圈(7)之间、背面分压电阻圈(7)之间设有二氧化硅。


2.根据权利要求1所述的基于分压电阻和漂浮电极的硅漂移探测器，其特征在于，所述收集阳极(1)与正面分压电阻圈(2)之间、正面分压电阻圈(2)之间、正面分压电阻圈(2)与正面阴极环(3)之间的间距相同，所述正面阴极环(3)与背面阴极环(6)的宽度从收集阳极(1)向外逐渐递增，所述正面漂浮电极(5)和背面漂浮电极(8)的宽度从收集阳极(1)向外逐渐递减，所述铝金属(9)、正面分压电阻圈(2)和背面分压电阻圈(7)的厚度均为1μm。


3.根据权利要求1所述的基于分压电阻和漂浮电极的硅漂移探测器，其特征在于，所述收集阳极(1)为N型重掺杂材料，所述正面阴极环(3)、正面漂浮电极(5)、背面阴极环(6)和背面漂浮电极(8)为P型重掺杂材料，所述硅基体(4)为N型超纯高阻硅晶圆。


4.根据权利要求1所述的基于分压电阻和漂浮电极的硅漂移探测器，其特征在于，所述收集阳极(1)的掺杂浓度为1×1019/cm3，所述正面阴极环(3)、正面漂浮电极(5)、背面阴极环(6)和背面漂浮电极(8)的掺杂浓度为1×1019/cm3，所述硅基体(4)的掺杂浓度为1×1012/cm3。


5.如权利要求1～4任一项所述的基于分压电阻和漂浮电极的硅漂移探测器的设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1，确定同心圆硅漂移探测器内部的电势，
同心圆硅漂移探测器内部任意点的电势应满足公式(1)：



公式(1)中x为同心圆硅漂移探测器厚度方向的坐标，r为同心圆硅漂移探测器半径方向的坐标，θ为角坐标，由公式(1)可知同心圆硅漂移探测器内任意点的电势与该点空间电荷量q的泊松方程如公式(2)所示：



公式(2)中Neff为同心圆硅漂移探测器中硅基体(4)的有效掺杂浓度，ε0为真空介电常数，ε为硅的介电常数，泊松方程的解为其中Φ(r)为同心圆硅漂移探测器正面的电势，ψ(r)为同心圆硅漂移探测器背面的电势，即Vfd为全耗尽电压，Vfd＝qNDd2/2ε0ε，ND为硅基体(4)的掺杂浓度，d是同心圆硅漂移探测器的厚度；
由于入射粒子的最佳漂移轨道为直线，所以同心圆硅漂移探测器正面和背面的电势应满足如下关系：(0≤γ＜1)，VB为同心圆硅漂移探测器背面由内至外第一个背面阴极环...

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