三种新型半导体探测器的应用进展研究

摘要：介绍了3种常见的新型半导体探测器，即硅微条探测器、电制冷半导体探测器和微结构半导体中子探测器，对这3种探测器的工作原理及应用优势等进行了分析。

关键词：硅微条探测器;电制冷半导体;微结构半导体中子探测器

0 引言

近年来核工业领域发展迅速，各类核探测器，如半导体探测器、气体探测器、闪烁探测器等研究也取得了新进展[1]。其中，以半导体为介质的探测器相比其他类型探测器具有明显的优势。市场上常见的半导体探测器主要采用锗和硅等半导体作为介质，半导体探测器的工作原理类似于气体电离室，因此又被称为固体电离室。目前，硅微条、硅漂移以及CCD等新型半导体探测器已经在高能物理等领域展现出了极高的应用价值[2]。

正常来讲，半导体探测器在能量分辨率方面要远胜于气体和闪烁探测器，这一特性是由其特殊结构决定的。半导体探测器一共有两个电极，粒子进入敏感区域时，会有电子-空穴对形成[3]。当在两个电极施加偏压后，电子就会向两极漂移，收集电极上就会感应到电荷，进而在外电路中产生脉冲信号[4]。有研究显示，半导体探测器中产生电子-空穴对所需的平均能量仅为传统气体电离探测器的1/10，因此其能量分辨率也更高。除此之外，新型半导体探测器还具备体积小、响应时间短、位置分辨率高等特点，使得新型半导体探测器在高能物理等领域得到了广泛应用[5]。

1 硅微条探测器研究进展

硅微条探测器诞生于20世纪80年代，硅微条最小可以达到20～100 μm。硅微条探测器不仅具备较高的能量分辨率和位置分辨率，还有较宽的能量线性范围，响应时间较短。随着微电子工艺的不断发展，微电子器件尺寸已经逐步发展到纳米级别，硅微条也被做得更小，甚至可以被集成到电子器件中。目前许多国家已经将硅微条探测器应用于径迹测量，以替代传统的漂移室[6]。

硅微条探测器根据读出的信号差别，可将其分为单边和双边读出的硅微条，这两种硅微条都是基于P-N结研制而成。有学者通过DUT实验测出硅微条探测器空间分辨率为1.4 μm，随后其他的研究应用微条间隙为25 μm的硅微条探测器，测得其空间分辨率为1.25 μm[7]。在国内外研究基础上，我国物理学家研制出了AC耦合硅微条探测器，该探测器相比DC耦合硅微条探测器具有更高的空间和能量分辨率，能量线性范围也更宽，且响应时间更短，抗辐射性能也更好[8]。因此，综合看来AC耦合硅微条探测器具有十分广阔的应用前景。硅微条探测器如图1所示。

2 电制冷半导体探测器研究进展

电制冷半导体探测器的特点在于其制冷方式，不同于传统压缩气体制冷以及磁制冷等方法，它采用的是最新的热電制冷方式。热电制冷的原理是利用两块半导体（N型和P型各一块）组成电偶回路，接通电源有电流通过时，电偶会发生能量转移，即产生吸热或放热反应，达到制冷或制热的目的[9]。将多个电偶元件采用串联的方式连接起来，就会产生不错的制冷或制热效果。有学者对比了电制冷探测器和液氮探测器的优缺点，结果显示，电制冷探测器探测效率更高，响应时间也更短，同时能够很好地克服传统探测器在低温条件下无法正常使用和保存的缺点，使其应用范围更加广阔。据相关研究表明，电制冷探测器已经广泛应用于火星成分及海底成分探测等领域中[10]。电制冷半导体探测器如图2所示。

3 微结构半导体中子探测器研究进展

微结构半导体中子探测器最早是由国外学者于1987年提出的，这一概念的提出开辟了半导体探测器的应用新领域，这一年全球核电子学得到了飞速发展，微结构半导体中子探测器展现出了极高的应用价值。微结构半导体中子探测器的原理是通过次级带电粒子累积能量形成电子-空穴对实现中子探测。有学者于2001年采用反应离子刻蚀技术制造出了新型微结构半导体探测器，与传统半导体探测器相比，其探测效率明显提高[11]。此后又有学者对目前市售半导体中子探测器进行了模拟实验，结果显示，若在特定结构顶部区域反应时即可探测出两种中子，这也表明这类特定结构应用于半导体中子探测器是可行的。有学者对3种不同构型，即柱状、沟槽状以及孔状结构的中子探测器进行了模拟实验研究，结果显示，孔状结构的中子探测器稳定性最好[12]。目前越来越多的研究集中于提高探测器的探测效率，这也是实现半导体探测器产业化应用的关键。微结构半导体中子探测器如图3所示。

4 结语

半导体探测器在核物理、高能物理以及半导体物理等领域发挥着重要作用。随着微电子工艺的飞速发展，各类新型半导体探测器不断被研制出来，满足了各类物理实验不断增加的探测需求。本文主要介绍了3种常见的新型半导体探测器，即硅微条探测器、电制冷半导体探测器和微结构半导体中子探测器，从目前的研究进展来看，相比传统探测器，新型半导体探测器具有明显的优势，应用前景十分广阔。

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收稿日期：2020-04-01

作者简介：刘年俊（1998—），男，湖北荆州人，研究方向：核工程与核技术。