在PN結(jié)硅片型半導體探測器外側(cè)敷蓋多個金屬微條以確定粒子位置的粒子探測器硅微條探測器01形成和發(fā)展工作原理應用結(jié)構特點目錄03050204基本信息硅微條探測器（siliconmicro-stripdetector）是指在PN結(jié)硅片型半導體探測器外側(cè)敷蓋多個金屬微條以確定粒子位置的粒子探測器。為了測量粒子或射線的空間分布，近年來發(fā)展了以PN結(jié)為基體的硅微條位置靈敏探測器。形成和發(fā)展形成和發(fā)展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(SiliconMicrostripDetector)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：ATLAS和CMS。作為探測粒子徑跡的徑跡室。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。結(jié)構結(jié)構從探測器橫截面上看，主要分這樣幾個部分：結(jié)構(2張)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300μm的高阻n型硅基，作為探測器的靈敏區(qū)。底部：是n型硅摻入砷(As)形成重摻雜n+層和鋁薄膜組成的探測器的背襯電極。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)(Guardrings)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-siliconbiasresistors)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(Biastrace)是連接偏壓電源到每一個微條的連接帶。直流接觸片(DCcontactpad)是作直流耦合輸出的接觸點。交流接觸片(ACcontactpads)是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。工作原理工作原理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(zhì)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(jié)型單邊讀出的探測器。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(jié)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(nèi)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，。在無輻射電離時，基本沒有信號產(chǎn)生。當有帶電粒子穿過探測器的靈敏區(qū)時，將產(chǎn)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(nèi)(探測器厚度在300μm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(chǎn)生的電荷信號。讀出電子學得到這個電荷信號，經(jīng)過前置放大器將信號放大，再經(jīng)過模擬通道，比較器，模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)后讀入計算機。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。特點非常好的位置分辨率很高的能量分辨率很寬的線性范圍非?？斓捻憫獣r間體積可做得很小缺點010302040506特點非常好的位置分辨率這是硅微條探測器最突出的特點。它的位置分辨率是應用的各種探測器中最高的，可做到1.4μm。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(chǎn)生的電子2空穴對(e-h)的密度非常高，大約為110e-h/μm

。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。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(chǎn)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(chǎn)生一對離子對所需能量大約為30eV，塑料閃爍探測器在光陰極上產(chǎn)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/μm。因此，同樣能量的帶電粒子在半導體中產(chǎn)生的電子2空穴對數(shù)要比氣體中產(chǎn)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。很寬的線性范圍由于在一定能量范圍內(nèi)，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。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5ns左右。因此，可以實現(xiàn)高計數(shù)率，可超過108/cm2·s。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300μm左右，當帶電粒子穿過時，大約可產(chǎn)生3.2×104電子-空穴對。有的還可做得更薄，整個探測器可以作得很小。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。應用在高能物理實驗中的應用在核醫(yī)學中的應用在空間物理和宇宙線科學實驗中的應用應用在高能物理實驗中的應用因為硅微條探測器及一些相關的半導體探測器的位置分辨率比氣體探測器的位置分辨率高一到兩個數(shù)量級，所以在近十幾年來，世界各大高能物理實驗室?guī)缀醵疾捎盟鳛轫旤c探測器。如美國的FERMILAB的CDF和D0，SLAC實驗室的B介子工廠的BaBar實驗，西歐高能物理中心CERN的LEP正負電子對撞機上的L3、ALEPH、DELPHI、OPAL，正在建造的質(zhì)子2質(zhì)子對撞機LHC上的ATLAS、CMS及日本的KEK，德國的HARA，HARB及Zeus和H1實驗等等。不僅如此，LHC上的ATLAS和CMS還采用了硅微條探測器代替漂移室作為徑跡測量的徑跡室。近些年高能物理領域所有新的物理成果，從t夸克的發(fā)現(xiàn)到標準模型的證實，無不與這些高精度的具有優(yōu)良性能的頂點探測器，徑跡室等先進探測器密切相關。頂點探測器和徑跡室主要用來測量高能帶電粒子的徑跡。物理學家們根據(jù)這些帶電粒子在磁場中的運動軌跡計算出它們的動量。根據(jù)粒子的動量、能量、質(zhì)量及其它性能來判別粒子。頂點探測器和徑跡室的定位精度(即空間分辨率)對粒子識別是非常重要的。這些探測器的空間分辨率越高，粒子的動量分辨才能達到越高，徑跡才能測得越精確，最終測得的頂點位置和粒子動量越準確。各國的高能物理學家根據(jù)各自不同的實驗要求，設計了不同的頂點探測器和徑跡測量系統(tǒng)。有些采用的是單邊讀出，有些則采用雙邊讀出的硅微條探測器，還有些采用像素探測器、CCD和硅片探測器等。硅微條等硅半導體探測器越來越受各國科學家們歡迎。隨著時間的改變在世界各主要高能物理實驗中，應用的面積和相應的電子學路數(shù)在迅速增長。美國費米實驗室的D0實驗采用硅微條探測器作為頂點探測器。為了增大覆蓋立體角，除了桶部設計得比較長外，還設計了H2DISK和F2DISK，這個頂點探測器所用的硅微條探測器都是用交流耦合輸出的。在空間物理和宇宙線科學實驗中的應用丁肇中先生領導的AMS組（國際空間站阿爾法磁譜儀實驗），計劃把A磁譜儀AMS送到國際空間站ISSA，企望在宇宙線中尋找反物質(zhì)和暗物質(zhì)。AMS的中間核心部分的多層徑跡室都是采用雙邊讀出的硅微條探測器。它是充分利用了雙邊讀出硅微條探測器的高空間分辨率，兩維信息讀出，CMOS電子學的低功耗的特點。雖然譜儀的體積并不大(直徑和高才1m多)，但這些精密的徑跡探測器與譜儀中的永久磁鐵、飛行時間計數(shù)器、契倫科夫探測器、量能器等緊密配合，可能會為天體物理和宇宙線科學作出非常卓越的貢獻

。在核醫(yī)學中的應用核醫(yī)學影像技術與高能物理及核物理探測技術是密切相關的，核醫(yī)學領域的X光透視，X2CT、MRI、PET、ECT等等，都是在高能物理和核物理實驗探測技術的基礎上發(fā)展起來的。探測技術的各項發(fā)展都在不斷帶動核醫(yī)學影像技術的發(fā)展。早期的X光影像檢測，顯示記錄只是用X光膠片，隨著探測技術的發(fā)展，很多新的探測器應用到核醫(yī)學的圖像檢測系統(tǒng)中。有關文獻介紹的1996~1999應用到核醫(yī)學領域各種探測器的統(tǒng)計基本概況日本KEK高能物理實驗室用100keV的X射線經(jīng)過三次狹縫和一個吸收體的準直和單色化，形成一束扁平的射線束，然后再經(jīng)過一塊鍺晶體的布喇格反射形成一束均勻分布的Lm級的扁平X射線。當它穿過樣品(相當于一個超微的切片)后再經(jīng)過第二塊鍺晶體的非對稱的布喇格反射，將不均勻的扁平X射線拉寬，投射到微條型探測器上。用這種方法，其空間分辨率達到4μm。在X射線影像的數(shù)字化方面，如數(shù)字X光機等研究，在新探測技術的帶動下也有了很多進展，它克服了傳統(tǒng)X射線成像方式的各種缺陷:1)傳統(tǒng)的