SARAD-深层离子注入型硅探测器 - 图文

SARAD半导体产品

深层离子注入型硅探测器

SARAD从1994年就开始制造用于α/β能谱仪的深层离子注入型硅探测器，至今这些探测器已经经历了数千次的应用验证。包括α、β能谱分析以及计数、核素识别、以及环境辐射监测等众多场合均得到应用并且都获得了精确的测量结果。

主要特点包括：

? 卓越的能谱分辨率（特别是低偏压情况下，对α粒子FWHM最低可达15keV） ? 低本底

? 10V偏压即可在耗尽层沉积α粒子所有能量（最大10MeV） ? 设计坚固耐用

? 耗尽层厚度最高可达500μm，可测量β粒子

探测原理：

1、粒子的收集

α、β粒子在进入耗尽层后会在周围产生电离，电离产生的电子、空穴对在电场的作用下向两极移动。入射粒子能量越高，就会产生越多的电子、空穴对，从而在输出回路中产生更高幅度的脉冲信号，进而能对入射粒子能量进行测量。

电离产生的电子、空穴对的数量与入射粒子能量是成正比例关系的：

N=E/ε

其中N为电离离子对数，E为入射粒子能量，ε为最低电离能。对于硅（Si），电离产生一对电子、空穴对所需能量为3.62eV（300K）。这样由通过测量产生的脉冲就能获知入射粒子的能量。

2、耗尽层厚度

半导体的PN结在漂移运动和扩散作用的双重影响下会形成一个载流子数量非常少的

一个高电阻区域，耗尽层。耗尽层是半导体探测器的灵敏区，耗尽层的厚度决定了半导体探测器能否完全沉积入射粒子能量，对于硅半导体，完全沉积α粒子通常只需100μm的耗尽层，完成沉积β粒子通常则需要500μm的耗尽层。

邮箱：eda@sarad.com.cn

耗尽层厚度由半导体材料的电阻率和外加反向偏压决定的。半导体的电阻率是由半导体材料本身的性质决定，提高半导体材料如硅的纯度有助于提高电阻率。

)w( μ m) ? 0. 536 ? (? cm ? U (V )

n

其中w是耗尽层厚度，? 为电阻率，U为反向偏压。

对于一个已经确定的半导体，通过增大反向偏压能增大耗尽层厚度，但是增大偏压同时也会增大也会增大反向电流，增大噪声，并且电压过高还可能导致半导体击穿。

3、理想和实际能谱

α衰变发射的α粒子在产生时是单能的，这是由原子核内部能级所决定的，原子核只能处在几个固定分立的能级上。因此完全理想的状况下，探测器应该测量到的是一个无限细的一个单能脉冲信号。

单能的α粒子在产生后，会与周围物质发生作用，形成能量损失，因而粒子在进入探测器耗尽层时，能量往往已经有了损失。但是由于不同粒子入射角度不同，通过的距离不同，另外加上粒子与物质发生作用有概率性和随机性的特点，有的粒子损失能量多，有的粒子损失能量少甚至未损失，出现能量歧离，因而这些粒子进入探测器耗尽层时所释放的能量也有所不同。

另外探测器内部是存在噪声的，这些噪声包括电子学系统噪声和探测器噪声。这些随机噪声使得信号会出现一定的涨落。最终测量到的能谱，就是一个被展宽的谱线。

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图 通过不同厚度物质的α粒子能谱

鉴于α、β粒子在穿过空气等介质中会损失能量，导致能量歧离，能峰展宽。为了改善

4、提高能量分辨率

测量效果，在条件允许的情况下，可以采取以下措施以提高能量分辨率：

? 在真空环境测量

? 使用准直器，但是会减少入射粒子数 ? 降低环境温度，低温下探头噪声会更低

? 使用更薄保护层的探头，但此时探头应能避免可见光照射 ? 对探头和连接缆线进行电磁屏蔽 深层离子注入型半导体探测器

SARAD生产的深层离子注入型半导体探测器,是半导体离子注入新工艺产品。 使用离子注入装置，对离子进行加速，经过筛选和聚焦和再加速，射入硅片内部，整个过程都在真空状态下进行。通过调节离子束的强度和能量可以控制掺杂离子在硅片中停留的深度和浓度，并且能精确控制掺杂离子形状。

Ur= 0...-100 VAlp+, B+implantSiO2n-Si, (100)n+, P+implantAl

相对于面垒型和扩散结型探测器，它有着以下优越之处：

氧树脂密封性的影响；结边缘在硅片内部还能大大减小漏电流值。

? 所有结的边缘都在不可见的内部，结边缘不需要环氧树脂密封，可靠性不会受到环? 接触面是用离子注入法形成的，可以得到精确、薄而且突变的结，具有良好的α粒

子分辨能力。

? 入射窗稳定且坚固，不易被划伤损坏。

? 漏电流通常只有面垒型和结型探测器的1/10~1/100。 ? 死层厚度比同类的面垒型和结型探测器都要小。

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图 20KV离子注入装置

另外，SARAD的深层离子注入型半导体探测器与其他同类产品比较，在同样的耗尽层厚度情况下所需的偏压更低，只需10V偏压即可形成100μm的耗尽层，而其他同类探头形成100μm的耗尽层需要40V偏压，容易满足便携式设备的需求。另外，更低的偏压也有助于降低半导体内的漏电流，降低噪声，提高分辨率。

SARAD生产的深层离子注入型半导体探测器，已经被大量使用在SARAD生产的测氡仪以及其他大量OEM产品上，先进的半导体制造工艺使得研发制造高分辨率、便携式的基于α能谱分析原理的仪器成为现实。

以下是SARAD的深层离子注入型半导体探测器的部分应用：

图 SARAD的RTM2200型氡钍测量仪，使用SARAD自产深层离子半导体探测器

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图 腔室和腔室内的半导体探头

图 真空α谱仪Vacu Tube

图 手持式气溶胶个人剂量仪MyRIAM（顶部为半导

体探头）

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型号 灵敏区域[mm2] 偏压[V] FWHM(α)[keV] FWHM(β)[keV] 脉冲宽度[μs] 脉冲上升时间[μs] 增益[mV/MeV] 规格[mm] 电压[V] 电流[mA] 电气接口 U-CAM-450 450 15~24 <35 01/03-400 400 10~35 <30 <40 12 5 180 34(D) ×30.5 ±5 <±15 5芯 同轴或径向电缆（Max.10m）

测量结果：

ORTEC的ULTRA型测量能谱如图：

SARAD的MOD-01/03-400型探头测量能谱如图：

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*）注：SPECTRA软件将低能端（<500keV）视为噪声信号予以截去，因而在该段区域没有计数。

结果分析：

对于能谱分析而言，最为关心的参数就是能量分辨率，能量分辨率通常用 FWHM，也就是峰半高宽来衡量。对两仪器测量能谱的FWHM分别进行计算。如何计算的？

ORTEC：FWHM=5757-5273=484keV SARAD：FWHM=5740-5469=271keV

接下来把两个测量的能谱图在同一张图表使用相同的能量坐标进行对比

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/vlhx.html