Научно-исследовательская работа по направлениям, темам Физика элементарных частиц, физика высоких энергий, теория калибровочных полей и фундаментальных взаимодействий, космология

Вид материала

Научно-исследовательская работа

Содержание Разработка лавинных полупроводниковых фотодиодов с поверхностным переносом заряда Физика атомного ядра, динамика ядерных и фотоядерных реакций, физика радионуклидов и тяжёлых ионов

Подобный материал:

• Отчет о научно-исследовательской работе кафедры теоретической и вычислительной физики, 679.56kb.
• Программа «физика ядра и элементарных частиц» по направлению подготовки 011200 «Физика», 24.54kb.
• План работы. Физика элементарных частиц. Величины в фэч и их единицы измерения, 793.04kb.
• Программа по дисциплине Физика элементарных частиц для специальности 010400 «Физика, 115.04kb.
• Омус-2012 Ключевые слова: , 13.52kb.
• Программа курса астрофизика высоких энергий для специальности 010400 Физика специализация, 37.06kb.
• Концепции фундаментальных полей основное содержание главы, 394.45kb.
• Лекция 17. Элементарные частицы >17. 1 Виды взаимодействий элементарных частиц, 319.98kb.
• Программный комплекс для анализа данных трековых детекторов методами распознавания, 2073.36kb.
• Программа Государственного экзамена по подготовке магистра по направлению «Физика ядра, 32.88kb.

Разработка лавинных полупроводниковых фотодиодов с поверхностным переносом заряда

Руководитель темы: Игорь Михайлович Железных

Подтема I. Разработка лавинных полупроводниковых фотодиодов с поверхностным переносом заряда и создание на их основе сверхчувствительных приборов с зарядовой связью (совместно с ОИЯИ).

- разработка и изготовление 3-х элементного прототипа линейки лавинных фотоприемников с поверхностным переносом информации.

Подтема 2. Модернизация испытательного оптического стенда ОГДН – КОРЭ для исследований новых фотоприемников и сцинтилляторов:

- комплектация оборудования для стенда (совместно с КОРЭ),

- разработка пластического сцинтиллятора на основе литого полистирола с большим содержанием металла для регистрации гамма-квантов.


Основные результаты, полученные в ходе выполнения проекта.

1. Разработка лавинных полупроводниковых фотодиодов с поверхностным переносом заряда.

Схема действующего образца разработанного лавинного фотоприемника (прототипа) с поверхностным переносом заряда представлена на рис.1.



Прототип с чувствительной площадью 0.5мм*0.5мм выполнен в виде полевого транзистора с изолированным затвором (МОП-транзистор), работающего в лавинном режиме. В рабочем режиме к полупрозрачному титановому затвору и алюминиевому стоку (в данном случае сток и исток соединены вместе) прикладываются отрицательные относительно подложки потенциалы, обеспечивающие развитие лавинного умножения носителей заряда в плоском p-n -переходе, где производится усиление фототока. После усиления носители заряда переносятся вдоль границы раздела Si-SiO₂ к стоковому электроду. Особенность работы данного фотоприемника в том, что характер лавинного процесса в нём определяется величиной поверхностной проводимости границы раздела Si-SiO₂. Толщина и концентрация примесей в полупроводниковом слое p-типа проводимости выбираются так, чтобы при рабочем потенциале на фотоприемнике обедненная область достигла границы раздела Si-SiO₂. В этом случае на границе Si-SiO₂ образуется сверхтонкий слой p-типа проводимости толщиной ~10 нм, сопротивление которого определяется величиной потенциала затвора. Величина поверхностного сопротивления этого сверхтонкого слоя определяет эффективность локальной стабилизации лавинного процесса.

За время развития лавинного процесса, инициированного единичным электроном, основная часть вновь образованных дырок накапливается в небольшой области границы раздела Si-SiO₂ с характерным размером, сравнимым с толщиной обеднения плоского p-n-перехода(~3мкм). Это приводит к локальному уменьшению электрического поля в соответствующей области p-n-переход, в результате чего достигается режим самостабилизации темпа лавинного процесса. При этом фотоотклик формируется как ток смещения емкости диэлектрика. Диаметр рабочей площади образца составлял ~0.5мм*0.5мм. Как показывают результаты испытания, при фиксированном потенциале на титановом затворе зависимость M от V_d всегда имеет область насыщения. Это связано с эффектом отсечки канала проводимости на границе Si-SiO₂, который приводит к ограничению стокового тока в приборе. Однако импульсная люкс-амперная характеристика фотоприемника при этом остается линейной, благодаря низкому импедансу ёмкости подзатворного диэлектрика.

Обнаруженный эффект насыщения зависимости M от V_d, указывает на реальную возможность создания многоэлементных фотоприемников с низким шумом и высоким коэффициентом усиления фотосигнала на основе выше указанной структуры. Подтверждением этому служат данные, представленные на рис.2.



Наиболее интересным и важным результатом настоящей работы является экспериментальное подтверждение возможности создания матричных приборов нового поколения – сверхчувствительных лавинных ПЗС-матриц, не имеющих аналогов в мире. Как видно из конструкции (см. рис.1), принцип работы данного лавинного фотоприемника представляет говорить о нём как о прототипе новой ПЗС (прибор с зарядовой связью) структуры.

Таким образом, разработана и изготовлена действующая линейка фотоприемников на основе ЛФД ЛООС, являющаяся прототипом будущих лавинных ПЗС матриц. Использование трехфазных импульсных напряжений, например, V_g = -62.5, -50 и -40 В (V_d= -62 В = const) для питания титанового затвора, позволило экспериментально осуществить режим регистрации, хранения и передачи фотосигнала, инициированного единичным фотоэлектроном. Это стало возможным благодаря усилению фотосигнала больше, чем в 2*10³ раз в момент подачи импульсного напряжения с амплитудой V_g= -62,5 В на титановый затвор прибора. Кроме того, возможность внутреннего (лавинного) усиления фотосигнала позволила значительно улучшить качество изображения при слабой освещённости (светимости) объекта, а также более, чем в 100 раз уменьшить время накопления (интегрирования) ПЗС-матрицы.


2. Модернизация испытательного оптического стенда.

По договору с ИСПМ РАН для оптического стенда ОГДН-КОРЭ разработан и изготовлен оптико-механический модуль абсорбционно-люминесцентного спектрометра, предназначенный для выделения монохроматического излучения, исследования источников света, приемников излучения и других работ в области спектра от 200 до 800 нм.

В испытательном оптическом стенде модуль будет использоваться для измерения квантовых выходов фотоэлектронных умножителей, лавинных фотодиодов, Si-фотодиодов. Кроме того модуль может быть использован для измерения спектров люминесценции различных (жидких и твердотельных) сцинтилляторов и их компонентов.

Создано программное обеспечение для управления процессами этих измерений.

Выполнены поисковые исследования по разработке пластического сцинтиллятора с большим содержанием металла для регистрации гамма-квантов. Изготовлены два образца кристаллического сцинтиллятора на основе люминофора класса оксадиазола с разными солями висмута для последующего введения их в пластический сцинтиллятор, получаемый из гранул полистирола. Измерена сцинтилляционная эффективность и прозрачность данных образцов.


Краткое содержание работы на следующий год.

Подтема I. Разработка лавинных полупроводниковых фотодиодов с поверхностным переносом заряда и создание на их основе сверхчувствительных приборов с зарядовой связью (совместно с ОИЯИ):

- разработка и изготовление лавинных микропиксельных фотоприёмников с поверхностным переносом заряда, способных работать в режиме счёта единичных фотонов при комнатной температуре.

Подтема 2. Модернизация испытательного оптического стенда ОГДН – КОРЭ для исследований новых фотоприемников и сцинтилляторов:

- отработка методик измерений и проведение исследований характеристик различных фотоприёмников и сцинтилляторов на оптическом стенде,

- исследование возможности создания кристаллических сцинтилляторов на основе полифенилов с органическими солями тяжёлых металлов.

Физика атомного ядра, динамика ядерных и фотоядерных реакций, физика радионуклидов и тяжёлых ионов