一种PIN半导体探测器开启电压的自校准测量方法
本发明涉及半导体，特别涉及一种pin半导体探测器开启电压的自校准测量方法。
背景技术：
1、在辐射探测领域，pin半导体辐射探测器在工作过程中会因外部环境热传递、辐射来源与探测器材料发生核反应、施加外加电源等原因发生温度变化，在低温环境中进行辐射探测时，pin半导体辐射探测器的温度变化对探测器信号电流的准确性影响显著，具体表现在pin半导体辐射探测器工作温度升高时，pin半导体辐射探测器内部反向暗电流上升。
2、在进行辐射探测时，pin半导体辐射探测器需要工作在反向工作电压下。辐射粒子在pin半导体辐射探测器内部引起电离反应，产生电子-空穴对，在反向工作电压下，电子-空穴对发生定向流动，从而产生信号电流。然而，pin半导体探测器在未受到辐射时，仍然会因热激发效应与外加工作电压产生反向暗电流，反向暗电流会与信号电流叠加，影响pin半导体辐射探测器的信号准确性。pin半导体辐射探测器的工作温度越高，反向暗电流越大，对信号的干扰程度越深，因此，有必要对pin半导体辐射探测器工作时的实时温度进行检测，以对实时反向暗电流进行计算，从而实现信号电流的校准。
3、目前对于pin半导体辐射探测器的温度检测方法通常为红外温度检测或热电偶：对于红外温度检测系统，所测温度为探测器表面温度；对于热电偶系统，所测温度与探测器所在电路的电流有关。这两种温度检测方式均存在无法直接实现探测器内部工作温度检测、在探测系统中添加额外大型模块导致系统可靠性降低的问题。在极端的低温工作环境中，对pin半导体辐射探测器工作温度的准确检测与对探测系统可靠性的要求进一步提升，因此，有必要利用探测系统已有电学参数对pin半导体辐射探测器工作温度实现自检测，对pin半导体辐射探测器的信号电流实现自校准。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本发明提供一种算法简单、测量精度高的pin半导体探测器开启电压的自校准测量方法。
2、本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种pin半导体探测器开启电压的自校准测量方法，包括以下步骤：
3、s1：对pin半导体探测器进行变温开启电压实验，获取pin半导体探测器的工作温度与正向开启电压的对应关系；
4、s2：实时获取pin半导体探测器上施加的正向开启电压大小；
5、s3：根据pin半导体探测器工作温度与正向开启电压的对应关系，确定当前pin半导体探测器的工作温度，并计算确定当前pin半导体探测器的反向暗电流大小；
6、s4：根据计算得到的反向暗电流大小对pin半导体探测器的信号电流进行校准。
7、上述pin半导体探测器开启电压的自校准测量方法，是基于测量系统实现的，所述测量系统包括：
8、pin半导体探测器，所述pin半导体探测器为p-i-n结二极管结构，所述pin半导体探测器的信号引脚与驱动系统连通；
9、驱动系统，驱动系统提供pin半导体探测器的正向及反向工作电压，并对pin半导体探测器的工作电压和未校准的信号电流进行检测；
10、处理器，处理器内存储有pin半导体探测器的工作温度与正向开启电压的对应关系、pin半导体探测器的反向暗电流与工作温度的计算程序，处理器实时对pin半导体探测器的工作温度与工作反向暗电流进行计算，并实时根据工作反向暗电流对pin半导体探测器的信号电流进行校准并输出。
11、上述pin半导体探测器开启电压的自校准测量方法，所述步骤s1中，在变温开启电压实验中，需要将待测pin半导体探测器置于固体加热台上，并连接于电流测试电路中，单次测试中，电路中电压源逐步提升；当pin半导体探测器开启后，其信号电流会急剧增加，单次测试中，保证观察到开启现象，并记录pin半导体探测器开启后的正向电流密度；变更固体加热台的温度，并重复记录不同温度下pin半导体探测器的正向电流密度随电压源大小变化情况。
12、上述pin半导体探测器开启电压的自校准测量方法，所述步骤s1中，实验进行多次，获取至少五条包含pin半导体探测器开启现象的-变化曲线。
13、上述pin半导体探测器开启电压的自校准测量方法，所述步骤s1中，查询制造商提供的手册获取pin半导体探测器的材料信息，获取待测pin半导体探测器的本征载流子浓度、漂移区半宽度、双极扩散系数，通过下式计算pin半导体探测器在不同工作温度下的开启电压：
14、
15、
16、
17、
18、式中：为基本电荷量；为玻尔兹曼系数；为pin半导体探测器漂移区压降；为双极扩散长度；为pin半导体探测器多子寿命；为中间量，tanh是双曲正切函数；
19、计算获得待测pin半导体探测器的开启电压与工作温度t数据，进行线性拟合，得到(t)函数，将该函数录入测量系统的处理器中即可。
20、上述pin半导体探测器开启电压的自校准测量方法，所述步骤s3中，在pin半导体辐射探测器工作过程中，反向暗电流与实时工作温度的关系通过下式计算：
21、
22、式中：为pin半导体探测器n区扩散系数，为pin半导体探测器p区扩散系数；为pin半导体探测器n区扩散长度，为pin半导体探测器p区扩散长度；为pin半导体探测器受主掺杂浓度，为pin半导体探测器施主掺杂浓度。
23、上述pin半导体探测器开启电压的自校准测量方法，所述步骤s1中，变温开启电压实验在避光、恒温、室压下进行。
24、本发明的有益效果在于：
25、1、本发明通过获取pin半导体辐射探测器工作温度与正向开启电压的线性对应关系，该对应关系与pin半导体辐射探测器材料性能有关，可通过变温开启电压实验测试得到，根据该关系可以直接获得pin半导体探测器的工作温度。本发明无需外加温度检测模块即可实现pin半导体探测器的内部工作温度自检测，简化了探测系统，增加了系统可靠性。
26、2、本发明提升了pin半导体辐射探测器的测量准确性，降低了pin半导体探测器工作温度的测量误差，降低了由工作温度计算的pin半导体探测器反向暗电流误差，从而使得校准后的测量系统误差减小。
技术特征：
1.一种pin半导体探测器开启电压的自校准测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的pin半导体探测器开启电压的自校准测量方法，其特征在于，是基于测量系统实现的，所述测量系统包括：
3.根据权利要求2所述的pin半导体探测器开启电压的自校准测量方法，其特征在于，所述步骤s1中，在变温开启电压实验中，需要将待测pin半导体探测器置于固体加热台上，并连接于电流测试电路中，单次测试中，电路中电压源逐步提升；当pin半导体探测器开启后，其信号电流会急剧增加，单次测试中，保证观察到开启现象，并记录pin半导体探测器开启后的正向电流密度；变更固体加热台的温度，并重复记录不同温度下pin半导体探测器的正向电流密度随电压源大小变化情况。
4.根据权利要求3所述的pin半导体探测器开启电压的自校准测量方法，其特征在于，所述步骤s1中，实验进行多次，获取至少五条包含pin半导体探测器开启现象的-变化曲线。
5.根据权利要求4所述的pin半导体探测器开启电压的自校准测量方法，其特征在于，所述步骤s1中，查询制造商提供的手册获取pin半导体探测器的材料信息，获取待测pin半导体探测器的本征载流子浓度、漂移区半宽度、双极扩散系数，通过下式计算pin半导体探测器在不同工作温度下的开启电压：
6.根据权利要求5所述的pin半导体探测器开启电压的自校准测量方法，其特征在于，所述步骤s3中，在pin半导体辐射探测器工作过程中，反向暗电流与实时工作温度的关系通过下式计算：
7.根据权利要求1所述的pin半导体探测器开启电压的自校准测量方法，其特征在于，所述步骤s1中，变温开启电压实验在避光、恒温、室压下进行。
技术总结
本发明公开了一种PIN半导体探测器开启电压的自校准测量方法，属于半导体技术领域，包括以下步骤：对PIN半导体探测器进行变温开启电压实验，获取PIN半导体探测器的工作温度与正向开启电压的对应关系；实时获取PIN半导体探测器上施加的正向开启电压大小；根据PIN半导体探测器工作温度与正向开启电压的对应关系，确定当前PIN半导体探测器的工作温度，并计算确定当前PIN半导体探测器的反向暗电流大小；根据计算得到的反向暗电流大小对PIN半导体探测器的信号电流进行校准。本发明无需外加温度检测模块即可实现PIN半导体探测器的内部工作温度自检测，简化了探测系统，增加了系统可靠性。
技术研发人员：刘林月,冯哲琳,欧阳晓平,马武英,钟向丽,吴璇
受保护的技术使用者：湘潭大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23