等间隙梯度递增同心圆式双面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等间隙梯度递增同心圆式双面硅漂移探测器及其设计方法，等间隙梯度递增同心圆式双面硅漂移探测器，包括硅基体，硅基体的上表面刻蚀有正面同心圆式圆形阴极环，硅基体的下表面刻蚀有反面同心圆式圆形阴极环，正面同心圆式圆形阴极环和反面同心圆式圆形阴极环均是由多个从内向外依次套设的圆形阴极环组成，两者中相邻两圆形阴极环的间隙相等，相邻两圆形阴极环之间的间距从内向外依次梯度递增，具体是以位于内部的圆形阴极环内半径的三分之二次方梯度递增；且结构和尺寸相同，正面同心圆式圆形阴极环第一环内刻蚀有正面阳极电极。解决了现有SDD单元面积小、拼接阵列难度大、成本高的问题。

Equal gap gradient increasing concentric double-sided silicon drift detector and its design method

【技术实现步骤摘要】
等间隙梯度递增同心圆式双面硅漂移探测器及其设计方法
本专利技术属于脉冲星X射线探测
，涉及一种大面积等间隙以半径的三分之二次方梯度递增的同心圆式圆柱形双面硅漂移探测器的设计方法。
技术介绍
随着科学技术的发展，半导体材料与工艺技术的发展突飞猛进，传统探测器工艺日趋完善，新材料半导体探测器也越来越多的进入人们的视野之内。大量的半导体探测器中，硅探测器因其优越的性能和成熟先进的工艺技术，广泛地被应用于高能物理、核物理等领域。目前硅探测器的研究领域中，一般以耗尽电压、电容、暗电流、电荷收集等参数对硅探测器噪声、能耗、能量分辨率、收集效率的影响等作为评价探测器性能是否优越的指标。但现有SDD阴极间距不同，导致电势梯度不均匀，使电子无法顺利漂移到阴极。且目前需求大面积SDD和大面积SDD阵列，对应的SDD单元面积增大，可降低拼接成阵列的难度，降低拼接成本。但面积越大，漂移通道的设计越困难，受工艺限制，难以制得大面积SDD。同时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(SiliconDriftDetector,硅漂移探测器)及其阵列的设计制作等研发技术。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的在于提供一种等间隙梯度递增同心圆式双面硅漂移探测器，以解决现有SDD单元面积小且其拼接成SDD阵列难度大、成本高的问题，以及现有SDD电子无法顺利漂移到阴极的问题。本专利技术实施例的另一目的在于提供一种等间隙梯度递增同心圆式双面硅漂移探测器的设计方法。针对现有技术存在的问题，本专利技术实施例所采用的技术方案是，等间隙梯度递增同心圆式双面硅漂移探测器，包括硅基体，硅基体的上表面刻蚀有正面同心圆式圆形阴极环，硅基体的下表面刻蚀有反面同心圆式圆形阴极环，所述正面同心圆式圆形阴极环和反面同心圆式圆形阴极环均是由多个从内向外依次套设的圆形阴极环组成，且正面同心圆式圆形阴极环和反面同心圆式圆形阴极环中相邻两圆形阴极环的间隙相等；正面同心圆式圆形阴极环和反面同心圆式圆形阴极环中相邻两圆形阴极环之间的间距从内向外依次梯度递增；正面同心圆式圆形阴极环第一环内刻蚀有正面阳极电极。进一步的，所述正面同心圆式圆形阴极环和反面同心圆式圆形阴极环的结构和尺寸相同。进一步的，所述正面同心圆式圆形阴极环第一环和反面同心圆式圆形阴极环第一环的内半径均为r1，正面同心圆式圆形阴极环最外环和反面同心圆式圆形阴极环最外环的内半径均为R；所述正面同心圆式圆形阴极环中相邻两环的间隙，与反面同心圆式圆形阴极环中相邻两环的间隙相等。进一步的，所述正面同心圆式圆形阴极环和反面同心圆式圆形阴极环中相邻两圆形阴极环之间的间距，从内向外依次以位于内部的圆形阴极环内半径的三分之二次方梯度递增；所述正面阳极电极为重掺杂的N型半导体硅，所述正面同心圆式圆形阴极环和反面同心圆式圆形阴极环为重掺杂的P型半导体硅，所述硅基体为轻掺杂的N型半导体硅；所述正面同心圆式圆形阴极环最外环和反面同心圆式圆形阴极环最外环外设有保护环。本专利技术实施例所采用的另一技术方案是，等间隙梯度递增同心圆式双面硅漂移探测器的设计方法，是根据要求的正面同心圆式圆形阴极环第一环的半径r1、电压VE1，正面同心圆式圆形阴极环最外环的半径R、电压Vout，以及正面同心圆式圆形阴极环的形状、电流I和方块电阻ρs，确定正面同心圆式圆形阴极环和反面同心圆式圆形阴极环的宽度分布、表面电场分布以及漂移通道的漂移电场，以得到满足设计要求的等间隙梯度递增同心圆式双面硅漂移探测器。进一步的，具体步骤如下：步骤S1、依据要求的正向同心圆式圆形阴极环的形状、电流I和方块电阻ρs，确定正向同心圆式圆形阴极环的电压分布；步骤S2、依据要求的正向同心圆式圆形阴极环第一环的半径r1、电压VE1，正向同心圆式圆形阴极环最外环的半径R、电压Vout，以及确定的正向同心圆式圆形阴极环的电压分布，确定正向同心圆式圆形阴极环的宽度分布和表面电场分布；步骤S3、依据正向同心圆式圆形阴极环的宽度分布和表面电场分布，确定反向同心圆式圆形阴极环的宽度分布和表面电场分布；步骤S4、依据确定的正向同心圆式圆形阴极环和反向同心圆式圆形阴极环的宽度分布以及表面电场分布，确定电子漂移通道中的漂移电场。进一步的，所述步骤S1的具体实现过程如下：由欧姆定律以及电场积分得出，同心圆式圆形阴极环在径向r点相邻两圆形阴极环的电压差ΔV(r)为：ΔV(r)＝IR(r)＝E(r)P(r)；(1)其中，E(r)是正面同心圆式圆形阴极环在径向r点的表面电场，P(r)是同心圆式圆形阴极环在径向r点相邻两圆形阴极环的间距，I是同心圆式圆形阴极环的电流，R(r)是同心圆式圆形阴极环在径向r点的电阻；P(r)由下式计算得到：P(r)＝W(r)+G(r)；(2)公式(2)中，W(r)是同心圆式圆形阴极环在径向r点的宽度，G(r)是同心圆式圆形阴极环在径向r点相邻两圆形阴极环的间隙；R(r)由下式计算得到：R(r)＝ρsαr/W(r)；(3)公式(3)中，α是由同心圆式圆形阴极环的几何形状决定的，由于同心圆式圆形阴极环的形状是圆形的，故同心圆式圆形阴极环在径向r点的周长为αr，α＝2π。进一步的，所述步骤S2的具体实现过程如下：步骤S21、保持同心圆式圆形阴极环相邻两圆形阴极环的间隙不变为常数G，则式(2)变为：P(r)＝W(r)+G；(4)步骤S22、设计正面同心圆式圆形阴极环在径向r点相邻两圆形阴极环的间距P(r)为：其中，η为一个实数，P1是正面同心圆式圆形阴极环第一环和与其相邻一环的间距；步骤S23、根据式(4)和(5)，即可得正面同心圆式圆形阴极环的宽度分布W(r)为：其中，G＝KP1，0＜K＜1；步骤S24、根据式(1)和(3)，并结合正面同心圆式圆形阴极环的几何形状、电流以及表面电场有：ρsαrI＝P(r)E(r)W(r)；(9)又根据式(8)和式(9)得到对应的正面同心圆式圆形阴极环的表面电场分布为：步骤S25、正面同心圆式圆形阴极环的表面电势分布Φ(r)为：Φ(r)＝∫E(r)dr；(11)将式(10)代入式(11)有：步骤S26、设则P(r)＝P1x，将其代入式(12)得：步骤S27、设m为整数，代入式(13)得：当r取r1时，x＝1，Φ(1)为正面同心圆式圆形阴极环第一环的表面电势，即Φ)1(＝VE1；当r取R时，为正面同心圆式圆形阴极环最外环的表面电势，即步骤S28、设置m，简化式(14)，进而定积分即可得到当前m下的P1，进而得出G，然后通过式(5)得出正面同心圆式圆形阴极环在径向r点相邻两圆形阴极环的间距P(r)，通过式(8)得出正面同心圆式圆形阴极环在径向r点的宽度分布W(r)，并通过式(10)得出正面同心圆式圆形阴极环在径向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.等间隙梯度递增同心圆式双面硅漂移探测器，其特征在于，包括硅基体(5)，硅基体(5)的上表面刻蚀有正面同心圆式圆形阴极环(2)，硅基体(5)的下表面刻蚀有反面同心圆式圆形阴极环(6)，所述正面同心圆式圆形阴极环(2)和反面同心圆式圆形阴极环(6)均是由多个从内向外依次套设的圆形阴极环组成，且正面同心圆式圆形阴极环(2)和反面同心圆式圆形阴极环(6)中相邻两圆形阴极环的间隙相等；正面同心圆式圆形阴极环(2)和反面同心圆式圆形阴极环(6)中相邻两圆形阴极环之间的间距，从内向外依次梯度递增；正面同心圆式圆形阴极环第一环(3)内刻蚀有正面阳极电极(1)。/n

【技术特征摘要】
1.等间隙梯度递增同心圆式双面硅漂移探测器，其特征在于，包括硅基体(5)，硅基体(5)的上表面刻蚀有正面同心圆式圆形阴极环(2)，硅基体(5)的下表面刻蚀有反面同心圆式圆形阴极环(6)，所述正面同心圆式圆形阴极环(2)和反面同心圆式圆形阴极环(6)均是由多个从内向外依次套设的圆形阴极环组成，且正面同心圆式圆形阴极环(2)和反面同心圆式圆形阴极环(6)中相邻两圆形阴极环的间隙相等；正面同心圆式圆形阴极环(2)和反面同心圆式圆形阴极环(6)中相邻两圆形阴极环之间的间距，从内向外依次梯度递增；正面同心圆式圆形阴极环第一环(3)内刻蚀有正面阳极电极(1)。


2.根据权利要求1所述的等间隙梯度递增同心圆式双面硅漂移探测器，其特征在于，所述正面同心圆式圆形阴极环(2)和反面同心圆式圆形阴极环(6)的结构和尺寸相同。


3.根据权利要求2所述的等间隙梯度递增同心圆式双面硅漂移探测器，其特征在于，所述正面同心圆式圆形阴极环第一环(3)和反面同心圆式圆形阴极环第一环(7)的内半径均为r1，正面同心圆式圆形阴极环最外环(4)和反面同心圆式圆形阴极环最外环(8)的内半径均为R；
所述正面同心圆式圆形阴极环(2)中相邻两环的间隙，与反面同心圆式圆形阴极环(6)中相邻两环的间隙相等。


4.根据权利要求1～3任一项所述的等间隙梯度递增同心圆式双面硅漂移探测器，其特征在于，所述正面同心圆式圆形阴极环(2)和反面同心圆式圆形阴极环(6)中相邻两圆形阴极环之间的间距，从内向外依次以位于内部的圆形阴极环内半径的三分之二次方梯度递增；
所述正面阳极电极(1)为重掺杂的N型半导体硅，所述正面同心圆式圆形阴极环(2)和反面同心圆式圆形阴极环(6)为重掺杂的P型半导体硅，所述硅基体(5)为轻掺杂的N型半导体硅；
所述正面同心圆式圆形阴极环最外环(4)和反面同心圆式圆形阴极环最外环(8)外设有保护环。


5.如权利要3所述的等间隙梯度递增同心圆式双面硅漂移探测器的设计方法，其特征在于，是根据要求的正面同心圆式圆形阴极环第一环(3)的半径r1、电压VE1，正面同心圆式圆形阴极环最外环(4)的半径R、电压Vout，以及正面同心圆式圆形阴极环(2)的形状、电流I和方块电阻ρs，确定正面同心圆式圆形阴极环(2)和反面同心圆式圆形阴极环(6)的宽度分布、表面电场分布以及漂移通道的漂移电场，以得到满足设计要求的等间隙梯度递增同心圆式双面硅漂移探测器。


6.根据权利要求5所述的等间隙梯度递增同心圆式双面硅漂移探测器的设计方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤S1、依据要求的正向同心圆式圆形阴极环(2)的形状、电流I和方块电阻ρs，确定正向同心圆式圆形阴极环(2)的电压分布；
步骤S2、依据要求的正向同心圆式圆形阴极环第一环(3)的半径r1、电压VE1，正向同心圆式圆形阴极环最外环(4)的半径R、电压Vout，以及确定的正向同心圆式圆形阴极环(2)的电压分布，确定正向同心圆式圆形阴极环(2)的宽度分布和表面电场分布；
步骤S3、依据正向同心圆式圆形阴极环(2)的宽度分布和表面电场分布，确定反向同心圆式圆形阴极环(6)的宽度分布和表面电场分布；
步骤S4、依据确定的正向同心圆式圆形阴极环(2)和反向同心圆式圆形阴极环(6)的宽度分布以及表面电场分布，确定电子漂移通道中的漂移电场。


7.根据权利要求6所述的等间隙梯度递增同心圆式双面硅漂移探测器的设计方法，其特征在于，所述步骤S1的具体实现过程如下：
由欧姆定律以及电场积分得出，同心圆式圆形阴极环在径向r点相邻两圆形阴极环的电压差ΔV(r)为：
ΔV(r)＝IR(r)＝E(r)P(r)；(1)
其中，E(r)是正面同心圆式圆形阴极环(2)在径向r点的表面电场，P(r)是同心圆式圆形阴极环在径向r点相邻两圆形阴极环的间距，I是同心圆式圆形阴极环的电流，R(r)是同心圆式圆形阴极环在径向r点的电阻；
P(r)由下式计算得到：
P(r)＝W(r)+G(r)；(2)
公式(2)中，W(r)是同心圆式圆形阴极环在径向r点的宽度，G(r)是同心圆式圆形阴极环在径向r点相邻两圆形阴极环的间隙；
R(r)由下式计算得到：
R(r)＝ρsαr/W(r)；(3)
公式(3)中，α是由同心圆式圆形阴极环的几何形状决定的，由于同心圆式圆形阴极环...

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