基于半导体集成电路辐射效应的空间辐射环境探测器
光电探测器综述(PD)讲解
光电探测器综述摘要：近年来，围绕着光电系统开展了各种关键技术研究，以实现具有高集成度、高性能、低功耗和低成本的光电探测器（Photodetector）及光电集成电路（OEIC）已成为新的重大挑战。
尤其是具有高响应速度，高量子效率和低暗电流的高性能光电探测器，不仅是光通信技术发展的需要，也是实现硅基光电集成的需要，具有很高的研究价值。
本文综述了近十年来光电探测器在不同特性方向的研究进展及未来几年的发展方向，对其的结构、相关工艺和制造的研究具有很重要的现实意义。
关键词：光电探测器，Si ,CMOSAbstrac t: In recent years, around the photoelectric system to carry out the study of all kinds of key technologies, in order to realize high integration, highperformance, low power consumption and low cost of photoelectricdetector (Photodetector) and optoelectronic integrated circuit (OEIC) hasbecome a major new challenge. Especially high response speed ，highquantum efficiency, and low dark current high-performance photodetector,is not only the needs for development of optical communication technology,but also realize the needs for silicon-based optoelectronic integrated,has thevery high research value.This paper reviews the development of differentcharacteristics and results of photodetector for the past decade, and discusses thephotodetector development direction in the next few years,the study of highperformance photoelectric detector, the structure, and related technology,manufacturing, has very important practical significance.Key Word: photodetector, Si ,CMOS一、光电探测器1.1概念光电探测器在光通信系统中实现将光转变成电的作用，这主要是基于半导体材料的光生伏特效应，所谓的光生伏特效应是指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。
半导体光电探测器的发展与应用
半导体光电探测器的发展与应用半导体光电探测器是一种基于半导体材料和光电效应原理构造而成的器件，可以将光信号转化成电信号。
由于其高灵敏度、高速响应和稳定性等优良特性，被广泛应用于光通信、光学成像、环境监测、医学诊断等领域。
本文将围绕半导体光电探测器的发展历程、结构及原理、现状和应用等方面展开论述。
一、发展历程半导体光电探测器的发展可以追溯到20世纪20年代，当时光电效应和半导体性质的研究取得了突破性进展。
到了20世纪50年代，半导体光电探测器开始得到广泛的关注和研究。
1960年代出现的PN结光电二极管，成为第一代光电探测器。
1980年代中期，出现了速度较快、灵敏度更高的探测器，如PIN结光电二极管、Avalanche光电探测器等。
1990年代中期以后，半导体光电探测器的研究重点开始向复杂结构和新型材料的探索转移。
目前，半导体光电探测器已经成为了光电信息处理、物理学研究和制造业等领域的重要技术。
二、结构及原理半导体光电探测器的结构基本上都是由多层P型半导体、N型半导体和Intrinsic半导体组成。
其中，P型半导体和N型半导体通过PN结连接。
当光子入射到PN结上时，会激发出电子，从而改变了PN结的电流和电压差。
Intrinsic半导体通常会被用作增加载流子储存的区域。
半导体光电探测器的工作原理是通过光电效应将光子转化成电子，从而改变器件的电学性质。
光电效应是指当光子入射到半导体材料上时，会激发出电子，从而产生电位能差。
当光照射到器件上时，产生的载流子将被探测电路收集。
三、现状目前，半导体光电探测器的技术发展已经较为成熟。
在高速通信领域，APD、PIN-TIA等探测器被广泛应用于数字光纤通信和模拟光纤通信等领域。
在太空探测领域，半导体光电探测器被用于搜集天体的光与辐射等信息。
此外，半导体光电探测器还应用于光学成像、环境监测、医学诊断等领域。
随着科技的不断进步，半导体光电探测器的应用前景将更广阔。
四、应用半导体光电探测器的广泛应用主要体现在以下几个方面：1.光通信半导体光电探测器在光通信中起着至关重要的作用。
半导体探测器的工作原理
半导体探测器的工作原理半导体探测器是一种利用半导体材料制成的探测器，它可以用于测量辐射、粒子和光子等。
半导体探测器的工作原理主要基于半导体材料的特性以及辐射或粒子与半导体材料相互作用的过程。
本文将从半导体材料的基本特性、探测器的结构和工作原理等方面进行介绍。
半导体材料的基本特性。
半导体材料是介于导体和绝缘体之间的一类材料，它的导电性介于导体和绝缘体之间。
半导体材料的导电性主要取决于其杂质浓度和温度。
在半导体材料中，掺杂了少量的杂质可以显著地改变其导电性能，形成n型半导体和p型半导体。
n型半导体中电子是主要的载流子，而p型半导体中空穴是主要的载流子。
探测器的结构。
半导体探测器通常由半导体材料制成的探测器本体和前端电路、后端电路组成。
探测器本体是由高纯度的半导体材料制成的，通常是硅(Si)或锗(Ge)材料。
前端电路主要用于收集和放大探测器本体中产生的电荷信号，而后端电路则用于信号的处理和数据的采集。
工作原理。
当辐射或粒子穿过半导体探测器时，会与半导体材料发生相互作用，产生电荷对。
这些电荷对会在半导体材料中产生电场，并在电场的作用下分离，形成电荷信号。
前端电路会收集并放大这些电荷信号，然后将其送入后端电路进行进一步处理和数据采集。
半导体探测器的工作原理主要基于半导体材料的能带结构和电荷输运的过程。
当辐射或粒子穿过半导体材料时，会激发半导体材料中的电子和空穴，形成电荷对。
这些电荷对在半导体材料中运动，产生电荷信号。
通过对电荷信号的收集和处理，可以获得辐射或粒子的能量和位置信息。
在实际应用中，半导体探测器可以用于核物理实验、医学成像、核辐射监测等领域。
由于半导体探测器具有高能量分辨率、快速响应速度和较高的空间分辨率等优点，因此在科学研究和工程应用中得到了广泛的应用。
总结。
半导体探测器的工作原理基于半导体材料的特性以及辐射或粒子与半导体材料相互作用的过程。
通过对电荷信号的收集和处理，可以获得辐射或粒子的能量和位置信息。
射线探测器集成化技术研究
射线探测器集成化技术研究一、内容综述随着科学技术的不断发展，射线探测器在各个领域的应用越来越广泛，如医学、工业、环境监测等。
射线探测器的主要功能是检测和测量射线辐射，为人类的生活和工作提供安全保障。
然而传统的射线探测器存在诸多问题，如体积大、重量重、成本高、安装复杂等。
为了解决这些问题，研究人员开始探讨射线探测器的集成化技术，以实现更小、更轻、更便宜、更简单的射线探测器。
传感器集成化：通过将多个传感器集成到一个小型模块中，实现对不同类型射线的高效检测。
这种方法可以减少部件数量，降低系统复杂性，提高探测效率。
同时集成化的传感器可以提高系统的稳定性和可靠性。
数据处理与显示集成化：将数据处理和显示功能集成到一个模块中，简化系统结构，降低成本。
此外集成化的数据显示系统可以提供更直观、易于理解的信息，便于用户进行实时监测和分析。
通信与控制集成化：通过将通信和控制功能集成到一个模块中，实现对整个系统的远程监控和管理。
这种方法可以提高系统的灵活性和可扩展性，方便用户根据实际需求进行配置和调整。
电源管理集成化：通过优化电源管理系统，实现对整个系统的高效能源利用。
这包括采用低功耗微处理器、动态电压调节技术和能量回收技术等，以降低系统的能耗，延长使用寿命。
软件与硬件集成化：通过将软件和硬件功能集成到一个模块中，实现对系统的精确控制和管理。
这种方法可以降低系统的开发难度，提高系统的性能和稳定性。
射线探测器集成化技术研究旨在通过将多个功能模块集成到一个小型模块中，实现对射线探测器的高效、可靠和易用性。
这种技术的发展将为射线探测器的应用带来更多可能性，为人类的生活和工作提供更安全、更便捷的环境监测手段。
1. 射线探测器的重要性和应用领域首先射线探测器在医疗领域具有重要应用，例如医用X射线设备可以用于检查患者的身体结构和骨骼系统，以便及时发现疾病和损伤。
此外放射性同位素在肿瘤治疗、放射性药物生产等方面也发挥着重要作用。
因此射线探测器在保障人类健康方面具有不可或缺的地位。
半导体光电探测器的原理及其应用
半导体光电探测器之阳早格格创做纲要：本文介绍了光电与系统的组成、一些半导体光电探测器的处事本理及其个性，末尾叙述了光电导探测器与光伏探测器的辨别.闭键词汇：半导体光电探测器，光电系统，光电导探测器，光伏探测器弁止光电探测器是一种受光器件,具备光电变更功能.光敏器件的种类繁琐,有光敏电阻、光电二极管、光电三极管、光晶闸管、集成光敏器件等;有雪崩型的及非雪崩型的;有PN 结型、PIN结型及同量结型的等.由于光电探测器的赞同速度快,体积小,暗电流小,使之正在光纤通讯系统、光纤尝试系统、光纤传感器、光断绝器、彩电光纤传输、电视图象传输、赶快光源的光探测器、微小光旗号的探测、激光测距仪的接支器件、下压电路中的光电丈量及光电互感器、估计机数据传输、光电自动统造及光丈量等圆里得到了广大应用.半导体光电探测器是用半导体资料创造的能接支战探测光辐射的器件.光映照到器件的光敏区时，它便能将光旗号转形成电旗号，是一种光电变更功能的测光元件.它正在国防战工农业死产中有着要害战广大的应用.半导体光电探测器可分为光电导型战光伏型二种.光电导型是指百般半导体光电导管，即光敏电阻；光伏型包罗光电池、P-N结光电二极管、PIN光电二级管、雪崩光电二极管、光电三级管等.本文最先介绍了光电系统的组成，而后分别介绍其处事本理及其个性，末尾将那二类探测器举止比较.一、光电子系统的组成系统又称为收射天线，果为光波是一种电磁波，收射光教系统所起的效率战无线电收射天线所起的效率真足相共.收支进去的光旗号通过传输介量，如大气等，到达接支端.由接支光教系统或者接支天线将光散焦到光电探测器上，光电过少距离传输后会衰减，使接支到的旗号普遍很强，果此需要用前置搁大器将其搁大，而后举止解码，还本成收支端本初的待传递旗号，末尾由末端隐现器隐现出去.图1-1光电子系统图二、半导体探测器的本理1、光电导探测器光电导探测器主假如通过电阳值的变更去检测，以下尔将以光敏电阻为例介绍其处事本理.光敏电阻又称光导管, 它不极性, 杂粹是一个电阻器件, 使用时既可加曲流电压, 也不妨加接流电压.无光照时, 光敏电阻值（暗电阻）很大, 电路中电流（暗电流）很小. 当光敏电阻受到一定波少范畴的光照时, 它的阻值（明电阻）慢遽缩小, 电路中电流赶快删大. 普遍期视暗电阻越大越佳, 明电阻越小越佳,此时光敏电阻的敏捷度下. 本量光敏电阻的暗电阻值普遍正在兆欧级, 明电阻正在几千欧以下.它的处事本理图如2-1图当不光照时，Rd=10断路当有光照时，Rd= 导通2、光伏探测器光伏探测器鉴于光照爆收电势好，用测电势好的本理.它分为光电池与光电二极管二种典型，光电池主假如把光能变更为电能的器件，暂时有硒光电池、硅光电池、砷化镓及锗光电池等，但是暂时使用最广的是硅光电池.光电二级管分为P-N结光电二极管、PIN光电二级管、雪崩光电二极管、光电三级管等.以下尔将分别介绍其处事本理及其个性. 1）P-N结光电二级管2）PIN光电二级管PIN光电二极管又称赶快光电二极管，与普遍的光电二极管相比，它具备不的时间常量，并使光谱赞同范转背少波目标移动，其峰值波少可移至1.04~1.06um而与YAG激光器的收射波少相对于应.它具备敏捷度下的便宜，所以通时常使用于强光检测（线性）.它的结构图如2-3所示，它是由P型半导体战N型半导体之间夹了一层本征半导体形成的.果为本征半导体近似于介量，那便相称于删大了P-N结结电容二个电极之间的距离，使结电容变得很小.其次，P型半导体战N型半导体中耗尽层的宽度是随反背电压减少而加宽的，随着反偏偏压的删大，结电容也要变得很小.由于I层的存留，而P区普遍干得很薄，进射光子只可正在I层内被吸支，而反背偏偏压主要集结正在I区，产死下电场区，I区的光死载流子正在强电场效率下加速疏通，所以载流子渡越时间常量（）减小，进而革新了光电二极管的频次赞同.共时I层的引进加大了耗尽区，展宽了光电变更的灵验处事地区，进而使敏捷度得以普及.3）雪崩光电二级管雪崩光电二级管（APD）是得用光死载流子正在下电场区内的雪崩效力而赢得光电流删益，具备敏捷度下、赞同快等便宜，通时常使用于激光测距、激光雷达、强光检测（非线性）.APD雪崩倍删的历程是：当光电二极管的p-n结加相称大的反背偏偏压时，正在耗尽层内将爆收一个很下的电场，它脚以使正在强电场区漂移的光死载流子赢得充分的动能，通过与晶格本子碰碰将爆收新的电子-空穴对于.新的电子-空穴对于正在强电场效率下，分别背好同的目标疏通，正在疏通历程中又大概与本子碰碰再一次爆收新的电子-空穴对于.如许反复，产死雪崩式的载流子倍减少.那个历程便是APD的处事前提.APD普遍正在略矮于反背北脱电压值的反偏偏压下处事.正在无光照时，p-n结不会爆收雪崩倍删效力.但是结区一朝有光映照，激励出的光死载流子便被临界强电场加速而引导雪崩倍删.若反背偏偏压大于反背打脱电压时，光电流的删益可达（十的六次圆）即爆收“自持雪崩倍删”.由于那时出现的集粒噪声可删大到搁大器的噪声火仄，以以致器件无法使用.4）光电三级管光电三级管与光电二极管比较，光电三级管输出电流较大，普遍正在毫安级，但是光照个性较好，多用于央供输出电流较大的场合.光电三极管有pnp战npn型二种结构，时常使用资料有硅战锗.比圆用硅资料创造的npn型结有3DU型，pnp型有3CU型.采与硅npn型光电三极管，其暗电流比锗光电三极管小，且受温度变更效率小，所以得到位广大应用.底下以3DU型光电三极管为例证明它的结构、处事本理与主要个性.3DU型光电三极管是以p型硅为基极的三极管，如图2-4（a）所示.由图可知，3DU管的结媾战一般晶体管类似，不过正在资料的掺杂情况、结里积的大小战基极引线的树立上战一般晶体管分歧.果为光电三极管要赞同光辐射，受光里即集电结（bc结）里积比普遍晶体管大.其余，它是利用光统造集电极电流的，所以正在基极上既可树立引线举止电统造，也不妨不设，真足共光一统造.它的处事本理是处事时各电极所加的电压与一般晶体管相共，即要包管集电结反偏偏置，收射正偏偏听偏偏置.由于集电结是反偏偏压，正在结区有很强的内修电场，对于3DU管去道，内修电场目标是由c到b的.战光电二极管处事本理相共，如果有光照到集电结上，激励电子-空穴对于，接着那些载流子被内修电场分散，电子流背集电极，空穴流背基极，相称于中界背基极注进一个统造电流Ib=Ip.果为收射打队结是正偏偏置的，空穴则留正在基区，使基极电位降下，收射极便有洪量电子经基极流背集电极，总的集电极电流为Ic=Ip+βIp=(1+β)Ip，式中β为电流删益系数.由此可睹，光电三极管的集电结是光电变更部分.共时集电极、基极、收射极形成一个有搁大效率的晶体管.所以正在本理上不妨把它瞅万里一个由光电二极管与一般晶体管分散而成的拉拢件，如图2-4(b)所示.光电三级管另一个个性是它的明暗电流比要比光电二极管、光电池、光电导探测器大，所以光电三极管是用去做光启闭的理念元件.3．光电导探测器与电伏探测器的辨别1）光电导探测器是均值的，而光伏探测器是结型的.2）光。
核辐射三大探测器 半导体
核辐射检测在半导体器件性能测试中的应用 核辐射探测器的原理和种类 核辐射探测器在半导体器件性能测试中的优势和局限性 核辐射探测器在半导体器件性能测试中的实际应用案例
半导体化：随着半导体技术的不断发展核辐射探测器也在不断向半导体化方向发 展以提高探测器的灵敏度和精度。
微型化：随着微电子机械系统（MEMS）技术的不断发展核辐射探测器也在不断 向微型化方向发展以便更好地应用于便携式设备和航空航天领域。
智能化：随着人工智能技术的不断发展核辐射探测器也在不断向智能化方向发展 以提高探测器的自动化和智能化水平。
多功能化：随着核辐射探测器技术的不断发展探测器的功能也在不断扩展除了能 够检测核辐射外还可以检测其他有害物质和生物分子等。
核辐射探测器在半 导体行业中的重要 性
核辐射探测器在半 导体行业的发展趋 势
汇报人：
半导体核辐射探测器按能量范围分类：高能、中能、低能探测器 按材料分类：硅探测器、锗探测器、硒探测器等 按结构分类：点接触型、PN结型、MIS结构型等 按工作原理分类：脉冲计数、闪烁计数、热释光计数等
优点：高能量 分辨率、高探 测效率、低成
本
缺点：易受温 度影响、易受 电磁噪声干扰、 能量分辨率较
核辐射探测器在半 导体行业的应用前 景
核辐射探测器在半 导体行业中面临的 挑战与机遇
核辐射探测器市场规模持续增长未来 市场潜力巨大。
核辐射探测器在半导体行业的应用越 来越广泛成为行业发展的重要支撑。
随着技术的不断进步核辐射探测器 的性能和精度不断提高为半导体行 业的发展提供了更好的保障。
核辐射探测器的市场需求不断增长未 来市场前景广阔。
灵敏度：选择 高灵敏度的探 测器能够更好 地检测到核辐
射。
宇航用半导体器件总剂量辐射试验方法
宇航用半导体器件总剂量辐射试验方法在航天事业中，宇航用半导体器件的可靠性与稳定性至关重要。
总剂量辐射试验是评估这些器件在空间辐射环境下性能的重要手段。
本文将详细介绍宇航用半导体器件总剂量辐射试验的方法。
一、试验目的宇航用半导体器件总剂量辐射试验旨在评估器件在空间辐射环境下，累积辐射剂量对其性能的影响，确保器件在规定辐射剂量范围内能正常工作。
二、试验原理总剂量辐射试验是通过模拟空间辐射环境，对半导体器件施加辐射，累积一定剂量的辐射后，检测器件的电性能参数，分析辐射对器件性能的影响。
三、试验设备与材料1.辐射源：可以使用钴-60伽马射线源、电子加速器或其他适用的辐射源。
2.器件固定装置：用于固定半导体器件，确保其在辐射过程中位置稳定。
3.辐射剂量监测器：用于监测辐射剂量，确保试验过程中辐射剂量的准确性。
4.电性能测试设备：用于测试辐射前后半导体器件的电性能参数。
5.辐射防护用品：如铅防护服、防护眼镜等，保障试验人员安全。
四、试验步骤1.样品准备：选择具有代表性的宇航用半导体器件，进行外观检查和电性能预测试。
2.器件固定：将器件固定在试验装置上，确保其在辐射过程中不会移动。
3.辐射施加：根据试验方案，对器件施加规定剂量的辐射。
4.辐射剂量监测：在试验过程中，实时监测辐射剂量，确保试验的准确性。
5.电性能测试：分别在辐射前、辐射过程中和辐射后，对器件进行电性能测试，记录数据。
6.数据分析：分析辐射前后器件性能的变化，评估器件的总剂量辐射效应。
五、试验结果与分析1.总剂量辐射试验后，宇航用半导体器件的电性能参数变化应在规定范围内。
2.分析辐射效应，找出器件性能变化的主要原因。
3.根据试验结果，优化器件设计和工艺，提高其在空间辐射环境下的可靠性。
六、注意事项1.确保试验过程中辐射剂量的准确性和稳定性。
2.遵循辐射防护规定，保障试验人员安全。
3.结合具体应用场景，合理选择试验方法和辐射源。
4.对试验数据进行详细记录和分析，为器件设计和优化提供依据。
半导体光电探测器原理及优化方法
半导体光电探测器原理及优化方法半导体光电探测器是一种能够将光信号转化为电信号的器件，广泛应用于光通信、光电子学、光学传感等领域。
本文将介绍半导体光电探测器的工作原理，并探讨其优化方法。
一、原理半导体光电探测器是通过光生或热生成电荷载流子来实现光电转换的。
其工作原理主要涉及以下几个关键过程：1. 光吸收：当光照射到半导体材料上时，光子与原子之间发生相互作用，导致电子能级的跃迁。
这种跃迁可以通过直接带隙吸收或间接带隙吸收来实现。
2. 电荷生成：吸收能量的光子会激发半导体材料内的电子从价带跃迁到导带，形成自由电子和空穴。
这种电子空穴对的形成可以通过光电效应或热激励来实现。
3. 电荷传输：生成的电子和空穴会在半导体内发生迁移，并在外加电场的作用下分别向电极移动。
这种电荷迁移过程可以通过扩散、漂移和电场效应来实现。
4. 电荷收集：最后，电子和空穴会在电极上被收集形成电流信号。
这个过程需要有效的电荷收集区域和电荷收集结构来实现高效的电流转换。
二、优化方法为了提高半导体光电探测器的性能，可以采取以下一些优化方法：1. 材料选择：不同的半导体材料具有不同的带隙结构和光吸收特性。
根据实际需求，选择能够匹配光源波长、具有较高吸收系数和较小吸收损耗的材料，可以提高光电转换效率。
2. 结构设计：优化器件的结构设计能够有效提高电子和空穴的收集效率。
例如，在光电探测器的表面引入光栅结构，可以增加光电子的吸收深度和电子在电极上的收集效率。
3. 探测区域增大：增大探测区域可以提高器件接收光信号的能力。
通过工艺优化，增大活动面积，可以有效提高器件的灵敏度和响应速度。
4. 降低噪声：降低器件的噪声水平对于提高探测器的信噪比非常重要。
采取合适的工艺控制和电路设计，降低暗电流和暗电流噪声，可以有效提高器件的信号检测精度。
5. 温度控制：温度对半导体光电探测器的工作性能影响较大。
保持器件在适宜的温度范围内工作，可以提高器件的稳定性和可靠性。
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第22卷 第4期核电子学与探测技术V o l.22 N o .4 2002年 7月N uclear E lectron ics &D etecti on T echno logyJuly 2002 基于半导体集成电路辐射效应的空间辐射环境探测器张庆祥,侯明东,甄红楼(中国科学院近代物理研究所,甘肃兰州 730000) 摘要:空间辐射环境能够引起半导体集成电路发生的总剂量效应、单粒子效应等辐射效应,可以被用来进行空间辐射环境监测。
在一定条件下,基于此原理的探测器具有常规的面垒型探测器以及P I N 型探测器等所不具备的优点。
尤其适合航天器舱内带电离子探测和用于航天医学的个人辐射剂量探测。
介绍了三种基于半导体器件辐射效应的探测器。
关键词:半导体器件;辐射效应;总剂量效应;单粒子效应;空间环境探测中图分类号: TL 814 文献标识码: A 文章编号: 025820934(2002)0420374203收稿日期:2001205208基金项目:国家自然科学基金(19775058,10075064);中国科学院“九五”重大课题(KJ 9522S I 2423)作者简介:张庆祥(19712),男,硕士,中国科学院近代物理研究所博士生,研究方向:空间辐射效应。
空间辐射环境对宇航员和空间电子学系统构成严重威胁,因此辐射环境的探测对保证宇航员的安全和电子学系统的正常工作至关重要。
太阳质子事件以及南大西洋地磁异常区强辐射环境的探测对空间环境及其效应研究、卫星抗辐射加固设计、卫星故障分析等方面具有重要作用。
空间环境中的重离子、质子以及电子通过电离辐射在半导体器件中产生电子2空穴对,在外加或内部电场的作用下电荷的运动引起各种有害的辐射效应,如总剂量效应、单粒子效应以及充放电效应等。
辐射效应是航天器故障和失效的重要诱因,因此辐射效应的研究引起了国际上广泛的重视。
研究表明,半导体集成电路的辐射效应可被利用进行辐射环境的探测,例如M O S 晶体管的某些参数的改变在一定范围内与吸收的总剂量成正比;存储器器件发生单粒子翻转的数量与L ET 值大于某一阈值的高能离子成正比,前者可以被用来进行航天器内部复合的电离辐射环境以及宇航员个人剂量的监测,后者可以用来探测高能离子。
目前,常用的G M 计数管、气体积分电离室、热释光剂量仪、固体径迹探测器以及面垒型探测器、P I N 型探测器等都已成功应用于航天飞机、空间站、深空宇宙探测器以及各种卫星。
半导体探测器具有能量分辨率高、线性响应好以及工作可靠等优点。
因此具有很好的应用前景。
面垒型探测器、P I N 型探测器获取的原始信号是辐射在敏感区产生的电荷,为了对电荷进行有效的收集,要求加很高的电压。
另外这种探测器的有效面积的直径在c m 量级,能够测量强度很弱的背景辐射,但是容易受到辐射损伤的影响,受后续电子学线路分辨率的影响,容易形成堆积,不适合于强辐射环境的监测。
基于辐射效应的探测器与传统探测器最大的区别是通过电离辐射产生的效应间接测量辐射环境,虽然不能获得能谱,而且一般不适合进行弱辐射环境的监测,但是具有以下优点:活动面积很小,适合测量大于10Gy (Si )强辐射环境;不需要加高电压,电子学线路简单;读出方便,可以做成“主动”式,尤其适合于舱内高能带电离子探测和航天医学的个人辐射剂量监测。
更主要的是利用现成的集成电路制造工艺,制作简单。
由于目前集成电路的单元电路尺寸与人体细胞相当的水平,因此这种类型的探测器在生物辐射效应以及医学中也有广泛的应用。
在辐射防护、放射生物学以及电子器件的辐射效应等领域中,需要采用微剂量学方法来确定在微小尺寸中能量沉积模式。
现代集成电路技术可以制作大量相同尺寸为几个Λm的二极管。
M c N u lty首先提出采用反向偏置的SiP2 N结阵列来测量航天器和飞行器内部的辐射环境,其基本结构是PN结后接能谱系统,用多道分析器(M CA)来记录辐射产生的电荷,值得一提的是在微剂量、SEU以及生物细胞死亡之间存在紧密的联系。
这种基于Si二极管阵列的微剂量仪[1]已经在医学辐射剂量领域以及单粒子翻转领域得到了广泛的应用。
由于在普通的PN结中除了漂移,还有扩散和漏斗效应等电荷收集机制,因此PN结的灵敏体积难以确定,近年来利用SO I结构来减小扩散和漏斗效应。
这种机制的探测器虽然利用集成电路,但仍属于传统的半导体探测器。
下面介绍三种典型的基于集成电路的辐射效应的探测器。
1 基于M O S集成电路总剂量效应的探测器 电离辐射在M O S晶体管栅极的氧化层中产生电子2空穴对,电子是可移动的,很容易离开氧化层,而空穴被俘获在Si Si O2界面上,导致M O S晶体管阈值电压V T的正漂移,研究表明,在100Gy(Si)以下,阈值电压的漂移∃V T与氧化层吸收的剂量D成正比,因此,通过测量∃V T就可以得到吸收剂量,这类探测器的特点是:1)M O SFET剂量仪既可以用于被动式,也可以用于主动式,测量结果实时读出;2)适合测量在薄层屏蔽后的累积剂量;3)活动面积小于1Λm,适合测量某一点的剂量,这对于材料科学、航天器充电效应、原子氧(AO)实验以及电子器件的辐射效应研究非常重要。
需要指出的是温度对V T影响很大,因此在具体应用中应考虑根据环境温度对数据进行修正。
美国海军实验室(N RL)从70年代末就开始研制用于空间环境的高剂量M O SFET剂量仪。
在M I R空间站以及俄罗斯的生物卫星B I ON210(1992)和B I ON211(1996)上进行的M O SFET剂量仪技术可行性飞行试验[2],将该探测器放置在空间站的宇航员休息舱以及卫星外部薄屏蔽层里。
测量到的剂量率可以低到0.3 m Gy d[3],首次在空间应用中将M O SFET用于低剂量的测量。
结果表明这种探测器可以替代曾经在各种载人航天器(M I R.ST S’)以及多颗实验卫星上使用的热释光探测器TLD,用于宇航员个人剂量的监测。
此外,英国国防评估和研究机构(D ERA)的地球转移轨道实验卫星STRV21上采用4个双M O SFET用作剂量深度探测器[3]。
2 基于可擦除浮栅工艺的剂量仪[4]浮栅雪崩注入型金属2氧化物2硅(FAM O S)晶体管阵列构成的UV PROM是一种紫外擦除的非易失型存储器,与其他非易失型存储器如EEPROM类似,只不过擦除的方式不同。
其结构如图1所示,浮栅上的电荷代表存储的信息。
写入信息时,在强电场作用下,热电子通过绝缘层输运到浮栅极,当浮栅极上存储电荷产生的电场与注入电场相当时达到饱和。
此时浮栅极对沟道加负偏压,使FET截断,在控制极上加相应的正电压,可使FET打开。
因此控制栅极上所加的可使沟道打开的电压反应了浮栅极上电子的数量。
电离辐射导致浮栅极上电荷逐渐减少。
浮栅上剩余电荷是吸收剂量的函数,而通过控制极上打开沟道所需电压就可以得到吸收剂量。
图1 FAM O S晶体管,浮栅极存储的电荷在电源关断后仍保持,电离辐射效应使浮栅极上的电荷损失这种方法利用商业级的数字UV PROM 作为模拟剂量仪,测量时保证存储的数据和探测器不受损伤,而且在读出剂量时仅需要加电源即可。
其分辨率取决于UV PROM的单元数。
包含65536个FAM O S晶体管的AM D27C64UV PROM在1997年发射的搭载有微电子和光电器件实验平台(M PTB)实验中作为剂量探测器已进行了可行性试验。
结果其分辨率达到了0.1Gy(Si)。
目前正在两个方面进行研究,一是提高其灵敏度,以便用于个人剂量监测和在SEE研究作为微剂量仪;二是扩展量程,以便长期测量和用于极端恶劣环境。
3 基于静态存储器(SRAM)单粒子翻转的高能离子探测器[5] 静态存储单元存储的信息会因为单个高能离子的入射而改变,即单粒子翻转。
发生翻转的数量与满足一定L ET值的离子数之间存在正比关系,因此可以利用对SRAM作为存储器件有害的SEU来探测高能离子的流强(F lux)。
这种类型的探测器在测量太阳耀斑和南大西洋地磁异常区高能离子方面具有良好的应用前景。
当然前提是保持工作电源稳定,而且不发生另外一种可导致器件烧毁的破坏性单粒子效应2单粒子闭锁SEL。
该类型探测器具有以下特点:1)灵敏区面积小,例如1.2Λm C M O S工艺制造的4k SRAM的敏感区只有0.0017c m2,小于直径为c m量级的P I N二极管和金硅面垒探测器,因此适于强辐射环境。
2)具有5个数量级的动态量程,通过屏蔽层过滤只有落入能量探测窗口的离子才能引起SEU。
SRAM单元的敏感度2临界电荷可以通过调节单元的偏置电压来调节,因此通过改变电压V d可以改变探测的离子是重离子还是轻离子。
3)对电子以及Χ射线不敏感,抗干扰能力强。
在1994年1月25日发射的C lem en tine Sp acecraft上搭载的一个RR ELA X辐射监测芯片上包括一个4k字节的粒子谱仪,经历了4月21日太阳耀斑,穿越了地球俘获带,发现该谱仪仅仅对质子敏感,而对电子不敏感。
英国国防评估和研究机构(D ERA)的地球转移轨道实验卫星STRV21上采用了一套由256k DRAM 以及抗辐照能力很强的54HC电路构成读写I O电路的质子探测器,是类似机制探测器在空间环境又一个应用[3]。
4 结论目前国际上正在研究各种基于辐射效应探测器,预计航天实践的发展,人类在太空活动日益频繁,基于半导体集成电路辐射效应的探测器不但在空间环境,而且在地面核物理实验以及医疗设备中也具有良好的应用前景。
参考文献:[1]B radley PD,et al.Charge co llecti on and radiati onhardness of a SO I m icrodo si m eter fo r m edical andspace app licati ons[J].IEEE T rans N ucl Sci,1998,N S45:2700.[2]M ackay GF,et al.A pp licati ons of M O SFETdo si m eters on M I R and BO I N satellites[[J].IEEET rans N ucl Sci,1997,N S44:2048.[3]T hom son I,et al.Do se2dep th and SEU monito rsfo r the STRV21c satellite[J].IEEE T rans N ucl Sci,1998,N S45:2765.[4]Scheick L Z,et al.Do si m etry based on the erasureof floating gates in the natural radiati on environ2 m ents in space[J].IEEE T rans N ucl Sci,1998,N S45:2681.[5]Bueh ler M G,et al.C lem entine RR ELA X SRAMparticle spectrom eter[J].IEEE T rans N ucl Sci,1994,N S41:2404.D osi m eters ba sed on rad i a tion effects of Si I CsZHAN G Q ing2x iang,HOU M ing2dong,ZH EN Hong2lou(Institute of M odern Physics,Ch inese A cadem y of Science,L anzhou of Gansu P rov.730000,Ch ina) Abstract R adiati on effects in Si I C s,such as to tal do se effect,single event effect,et al.,can be uti2 lized to m easure space radiati on environm ent.D etecto rs based on these effects have som e advantages compared w ith conventi onal sem iconducto r detecto rs(barrier detecto r and P2I2N di ode)as do se dep th monito r in spacecraft and"sk in"do si m eter fo r personnel.T h ree of these k inds of detecto rs and their uses in space are introduced in th is paper.Key words:sem iconducto r detecto rs;radiati on effects;to tal do se effect;single event effect;space radi2 ati on environm ent。