Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУГООВОДНИКОВЬГХ ДЕТЕКТОРОВ 8
Принцип действия и основные характеристики полупроводниковых детекторов 8
Полосковые детекторы 18
Полупроводниковые дрейфовые камеры 27
Приборы с зарядовой связью 28
АктивіЕЬійтпссельньшкоордішатньш детектор 31
Регистрация потоков излучений 31
1.7 Сравнение характеристик координатных кремниевых детекторов 36
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ФУШЩИОНИРОВАНИЯ
ПИКСЕЛЬНЫХ СТРУКТУР КООРДИНАТНЫХ ДЕТЕКТОРОВ 38
2.1. Ионгоационные потери энергии радиационных частиц 38
Взаимодействие гамма-квантов с веществом 42
Иошрационные токи, создаваемые электронами 53
Анализ рентгенопроводимостиполупроводіпіковьіх материалов 57
Анализ эффективности преобразования рентгеновских квантов в световое при помощи сцинтилляторов 64
2.2. Аналго характеристик и компьютерное моделирование пиксельных структур 68
2.2.1. Модель биполярного функционального-шггегрируемого пиксела
с р-і-п диодом 68
2.2.2. Компыотерное моделирование вольтамперных характеристик биполярной
фуіпщионально-интегрироваїшьгх структур 72
2.3. Аналт шумовых факторов биполярных функционально-интегрируемых
пиксельных структур 81
ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ МНОГОЦЕЛЕВЫХ
КООРДИНАТНЫХ ДЕТЕКТОРОВ 90
Компыотерное моделирование эквивалентных электрических схем функционально-интегрируемых пикселей 90
Злектрігческие схемы матриц и периферийных устройств многоцелевого координатного детектора 104
Конструкции детекторов 112
ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И КОНСТРУКЦИЯ МНОГОЦЕЛЕВОГО
КООРДИНАТНОГО ДЕТЕКТОРА 115
Компьютерное моделирование диффузпогасых профилей пиксельных структур ..115
Технологические маршруты матриц координатных детекторов 118
Технологический маршрут "Lokos" 118
Техно логический маршрут "Жесткая маска" 120
ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 124
5.1. Анализ статических характеристик 124
Методика измерений статических характеристик 124
Результаты измерений вольтамперных характеристик 128
5.2. Анализ шумовых характеристик 129
Методика измерений шумовых характеристик 130
Результаты измерений шумовых характеристик 131
5.3. Экспериментальные результаты по детектированию а- р- у- частиц 140
5.3.1 Методика исследования детектирования 140
5.3.2. Детектирование ос-частиц 140
Детектирование р-частиц 143
Детектирование у-частиц 143
5.3 Исследование радиационной стойкости многоцелевого коордішатного детектора к и
потоку электронов и дозе у- излучения 144
5.3.1 Методика измерений радиационной стойкости 144
5.3.2. Результаты измерений радиационной стойкости 144
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 156
ЛИТЕРАТУРА 158
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 163
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 173
Введение к работе
Регистрация и видеоизображение различного типа излучений от видимого света и до частиц высоких энергий является важнейшей частью широкого круга научных, технических и прикладных задач. Физика элементарных частиц и астрофизика, ядерная физика и техника, таможенный контроль, медицина и биология, лазерная физика и техника, техника оптической связи - вот далеко не полный перечень приложений с использованием новых детекторов регистрации излучений.
Высокое качество регистрации радиационных частиц и излучений определяется целым комплексом электрофизических параметров детектора, таких как спектральное, координатное и временное разрешение, динамический диапазон, чувствительность, радиационная стойкость и т.д.
В настоящее время для регистрации радиационных частиц и квантов и получения видеоизображений различных видов радиационных излучений применяются полупроводниковые детекторы, построенные на основе полосковых - стриповых р-п переходов, лавинно-пролётных диодов (ЛПД), приборов с зарядовой связью (ПЗС), газовых и вакуумных умножителей и т.д. Проведенный в диссертации анализ известных типов координатных детекторов показал, что такие детекторы не позволяют достичь теоретического предела по чувствительности, быстродействию (tBbI6<10 не) и координатной точности (Дх=Лу<10 мкм), имеют узкий динамический диапазон и ограниченную область применения. Также был сделан вывод, что наилучших результатов при детектировании радиационного излучения можно достичь при использовании в конструкциях координатных детекторов функционально-интегрированных структур (ФИС), при этом данные структуры в сочетании со специализированными схемами управления, расположенными в одном кристалле с детектирующей матрицей, могут быть реализованы на основе современных БИ-КМОП технологий цифровых и аналоговых СБИС.
Поэтому основным направлением работ при выполнении диссертации стало исследование электрофизических параметров пиксельных структур с создание координатного детектора радиационных частиц с экстремально высокими эксплуатационными характеристиками, а именно размер ом пикселей 10x10 мкм2, временем разрешения tc~100 не, чувствительностью не хуже 50 мкм, для его использования в приборах различного применения: физики высоких энергий, таможенном контроле, медицине и т.д.
Проведенный анализ показал, что проблема создания новых типов координатных детекторов является весьма сложной и многоплановой, т.к. включает в себя поиск новых взаимосвязанных приборных, схемотехнических и технологических решений.
Вследствие этого для достижения поставленной цели необходимо выполнение следующих этапов работы:
- сравнение параметров основных типов полупроводниковых
детекторов;
-теоретический анализ и моделирование ионизационных и усилительных процессов, создаваемых радиационными частицами, компьютерное моделирование и анализ характеристик функционально-интегрируемых пиксельных структур;
разработка конструктивно-технологических решений функционально-интегрированных структур координатных детекторов;
сравнительный анализ теоретических и экспериментальных результатов исследования координатных детекторов, разработанных на основе предложенных структур,
экспериментальная и расчетная оценка параметров и характеристик разработанных структур: быстродействия, координатного разрешения, чувствительности под влиянием а- р- у- частиц, радиационной стойкость к у излучению и потоку электронов.
Научная новизна работы.
Проведен сравнительный анализ предложенных в работе и известных структурно-топологических и технологических решений пиксельных структур координатных детекторов, и выбран оптимальный вариант для реализации.
Предложена теоретическая модель, объясняющая специфические особенности работы пиксели на основе функционально-интегрированной биполярной структуры ир-і-п диода и полевого экрана.
Предложены новые однокристальные конструкции координатных детекторов и технологии изготовления функционально-интегрированных пикселей, приоритет которых подтвержден заявками на изобретения и патентами российской федерации.
Предложены оригинальные электрические схемы для периферийных устройств детектора.
Проведено компьютерное моделирование и численная оценка основных параметров разработанных структур координатных детекторов.
Получены новые экспериментальные результаты, свидетельствующие о высокой эффективности детектирования релятивистских частиц и гамма-квантов двумерной матрицей многоцелевого координатного детектора.
Практическая значимость полученных в диссертационной работе результатов заключается в том, что:
впервые получены уникальные результаты по регистрации а, р, у -частиц детекторами на основе разработанных функционально-интегрированных пиксельных структур с дополнительным экраном;
предложены новые технические решения для конструкций и технологии изготовления многоцелевого координатного детектора, которые защищены заявками на патенты;
показано, что на основе разработанного "многоцелевого" координатного детектора могут быть созданы приборы для спектрометрии, радиометрии, таможенного контроля и медицинского назначения, отличающиеся рекордными параметрами по чувствительности и скорости;
показано, что "квантовый" твердотельный экран для приема рентгеновских и электронных излучений позволяет на порядок минимизировать дозовую нагрузку на объект исследования;
показано, что скоростная 2-х эмиттерная фотоприемная матрица может быть использована для приборов оптического слежения.
Автор защищает:
Результаты математических оценок и компьютерного моделирования параметров пиксельных структур;
Физическую модель функционально-интегрированной структуры p-i-п диода и биполярного транзистора с дополнительным экраном;
Предложенные конструктивно-технологические решения для пиксельных структур координатных детекторов;
Результаты экспериментальных исследований параметров и характеристик разработанных функционально-интегрированных структур с дополнительным экраном;
Новые схемотехнические решения для устройств управления пиксельными матрицами координатных детекторов.
