碳化硅热中子探测器温度效应的模拟研究

《IEEE Transactions on Nuclear Science》：Simulation of Temperature Effects on Silicon Carbide Thermal Neutron Detector

硅基碳化硅中子探测器在高温下存在性能漂移，主要因半导体物理特性变化和电学特性受材料缺陷及工艺影响。研究采用蒙特卡洛与半导体器件模拟，分析实际工况下的温度依赖性。理想模型显示脉冲电流随温度升高显著下降，但电荷收集较稳定，导致能量谱轻微漂移，主要源于电离能和载流子迁移率变化。实际器件中漏电流影响能量谱形状，造成分辨率下降和效率降低。

　　

摘要：

碳化硅（SiC）中子探测器因其耐高温和抗辐射性能而在多种应用中具有广阔前景。然而，尽管能够在极端环境中正常工作，SiC探测器在高温下仍会出现性能漂移。这种漂移不仅源于半导体物理性质的变化，还受到材料缺陷和制造工艺影响导致的电学特性变化。本研究采用蒙特卡洛模拟和半导体器件仿真方法，分析了SiC中子探测器在实际工作条件下的温度依赖性行为。首先，利用理想探测器模型研究了输出电流随温度的变化情况，并介绍了一种从电流脉冲和粒子分布中推导能谱的方法，并评估了其温度依赖性。接着，探讨了温度引起的漏电流对实际器件能谱失真的影响，为不同温度条件下的器件输出特性提供了预测方法。仿真结果表明，虽然脉冲电流随温度升高而显著减小，但电荷收集能力相对稳定。探测器能谱出现轻微漂移，主要是由于电离能和载流子迁移率的变化所致。当考虑实际器件中的漏电流效应时，能谱形状会恶化，导致能量分辨率下降以及探测效率大幅降低。