半导体探测器以半导体材料为探测介质,可以用来测量X射线或γ射线的能谱以及粒子径迹。碲锌镉晶体是其中一种性能优异的核辐射探测材料,它具有电阻率高、原子序数大和禁带宽度大等特性。碲锌镉探测器在常温下具有很高的空间分辨率和探测效率,因此广泛的应用在物理实验(无中微子双贝塔衰变和暗物质的寻找等)和辐射成像(医疗CT)中。Topmetal系列芯片是基于0.35 μm CMOS集成电路工艺设计的可以用顶层金属直接收集空间电荷的像素阵列芯片。第一版芯片Topmetal-Ⅰ的像素阵列大小为64×64,单个像素尺寸为80×80 μm2,每个像素顶层金属电极的裸露部分的尺寸为15×15 μm2。Topmetal-Ⅰ芯片上可以对空间中的电荷进行二维成像,并可以测量到单个的alpha粒子,其等效噪声电荷为327 e-(像素节点电容的平均值为207 fF)。第二版芯片Topmetal-Ⅱ-的像素阵列大小为72×72,其像素尺寸比第一版的略大,为83×83 μm2。每个像素顶层金属电极的尺寸和第一版相同。Topmetal-Ⅱ-芯片比Topmetal-Ⅰ芯片具有更低的电子学噪声,用于收集电荷的节点电容为5.5 fF。通过在护环电极(guard ring)上注入方波信号并将芯片输出的电压信号采集之后通过数字梯形滤波器处理,得到其等效噪声电荷小于15 e-。两版芯片之间信号的形成略有差异,第一版芯片经过复位所有像素上拉至一个较高的电压,然后缓慢衰减,负电荷的注入会使电压信号衰减的更快;而第二版芯片经过复位所有像素的电压归位为基线电压(Baselinevoltage),负电荷注入时电压信号快速上升然后缓慢衰减。这两版芯片均可应用于辐射成像,如alpha计数和束流监控等,以及和半导体材料(碲锌镉)结合构建高空间分辨探测器。本文所介绍的三个主要工作分别为:第一、Topmetal-Ⅱ-芯片在低温(液氮环境)下的性能研究;将Topmetal-Ⅱ-放入盛有液氮的杜瓦瓶中,芯片也可以很好的工作,比在常温下具有更低的噪声。在此环境下,Topmetal-Ⅱ-芯片每个像素信号衰减快慢对外部复位电压更敏感,这是像素阵列信号衰减时间的分布比常温下更宽的原因,进而导致了等效噪声电荷也具有更宽的分布。在液氮环境和常温中,芯片ENC分布的最可几值分别为12 e-和13 e-,当将衰减时间常数限制在相同范围内时,可以更明显的看到噪声的差异。从噪声角度看,Topmetal-Ⅱ-芯片有潜力作为液氩、液氙等低温液体探测器的读出,应用在无中微子双贝塔衰变和暗物质的寻找。第二、基于Topmetal-Ⅰ芯片的碲锌镉像素探测器的设计及性能研究;根据Topmetal-Ⅰ芯片收集信号的特性,碲锌镉晶体与芯片之间的连接采用非直接接触的方法,芯片通过感应的方式收集碲锌镉晶体内产生的电荷信号。实现方法为:在碲锌镉晶体上表面的金属电极上施加方波电压;当方波电压由正电压切变为负电压时,将激光信号打入碲锌镉晶体上表面预留的小窗中;在碲锌镉晶体上产生的电荷信号耦合到Topmetal-Ⅰ芯片的每个像素上;在碲锌镉晶体偏压由正切变到负电压之前对Topmetal-Ⅰ芯片进行复位,扫描像素并采集数据;根据Topmetal-Ⅰ芯片上所有像素的响应,可以得到芯片上的二维信号分布;芯片上的二维成像反映了入射粒子强度的二维分布。碲锌镉晶体用于施加偏压的一面镀有金属电极,该表面中心部分2×2 mm2的区域为没有电极的。晶体的另一面没有被镀上金属电极,当该面与Topmetal-Ⅰ芯片对接时,通过电阻率很高的液体隔绝芯片与晶体。在配置芯片复位信号、激光信号和晶体偏压后,将405 nm激光二极管出光孔正对向晶体上表面中间的裸露区域,光信号会激发碲锌镉晶体产生电子空穴对,电子在电场作用下向晶体的另一面漂移,芯片就可以感应到晶体上的激光激发的信号。实验结果表明,在-60 V的偏压下,该探测器具有的空间分辨小于200μm。第三、基于Topmetal-Ⅱ-芯片的碲锌镉像素探测器的设计及性能研究。Topmetal-Ⅱ-芯片与碲锌镉结合的探测器。Topmetal-Ⅱ-芯片在正常工作期间不需要对每个像素进行强制复位,因此电荷可以连续的注入并被像素阵列所收集。鉴于此特性,碲锌镉晶体与芯片之间通过一种液体介质进行连接,该介质要在保证晶体与芯片之间连接均匀性的同时使电荷可以穿过。我们选择了环氧树脂作为连接介质,晶体上产生的电荷信号在最终达到芯片后只有较小的扩散而保持电荷信号的局域性。由于液体介质的厚度会影响到晶体与芯片之间电荷的传导,所以实验中芯片与晶体贴合的比较紧密。我们采用了 650 nm的激光二极管来验证整个探测器系统的工作情况,在偏压为-2 V的情况下,得到的空间分辨率约为420 μm,并利用此探测器直接测量了单个alpha粒子。本文首先研究了 Topmetal-Ⅱ-芯片在液氮环境下的性能。从噪声角度看,Topmetal-Ⅱ-芯片有潜力作为液氩、液氙等低温液体探测器的读出而应用在无中微子双贝塔衰变和暗物质的寻找等实验中。其次,将Topmetal像素传感芯片与碲锌镉半导体材料结合实现了具有很高空间分辨能力的探测器。基于Topmetal-Ⅰ的碲锌镉探测器空间分辨率小于200μm,而基于Topmetal-Ⅱ-的碲锌镉探测器的空间分辨率为420 μm。在-2V的偏压下,该探测器可以探测到单个alpha粒子在晶体内产生的电荷信号。目前在医疗CT上应用的碲锌镉像素探测器的尺寸为2.5 mm左右,在空间分辨上还有很大的提升空间。因此在医疗CT方面,基于Topmetal芯片的高空间分辨率的碲锌镉探测器有很大的应用前景。