近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院核能安全所科研人員在耐高溫核探測(cè)技術(shù)研究方面取得新進(jìn)展，研究成果發(fā)表在核科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域國(guó)際權(quán)威期刊 IEEE Transactions on Nuclear Science 上。
基于寬禁帶半導(dǎo)體的新型輻射探測(cè)器具有耐高溫、抗輻照、低噪聲的優(yōu)勢(shì)，在航空航天、聚變?cè)\斷、深地測(cè)井等應(yīng)用場(chǎng)景中具有廣闊的應(yīng)用前景。但是半導(dǎo)體探測(cè)器信號(hào)微弱，需要與前置放大器等前端電子學(xué)電路緊密連接才能達(dá)到較好的測(cè)量效果，而傳統(tǒng)硅（Si）半導(dǎo)體前置放大器難以耐受高溫環(huán)境，亟需研究開(kāi)發(fā)新型耐高溫、低噪聲的前置放大器。
針對(duì)這一課題，科研人員提出了采用寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅（SiC）制造前置放大器的解決方案?？蒲腥藛T研究了碳化硅結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（SiC-JFET）在高溫下的放大性能和輸出噪聲變化；通過(guò)深入分析前置放大器輸入級(jí)晶體管對(duì)系統(tǒng)噪聲的貢獻(xiàn)，總結(jié)了溫度變化對(duì)噪聲的影響規(guī)律；利用TCAD仿真方法比較了基于Si和SiC的JFET在不同溫度下的電學(xué)特性和輸出噪聲，闡釋了性能變化規(guī)律和物理機(jī)制。
研究結(jié)果顯示：相比于Si-JFET，SiC-JFET具有更好的溫度穩(wěn)定性和更寬的工作溫度范圍；由于具有極低的柵極漏電流，SiC-JFET在300 K-675 K下時(shí)始終比相同結(jié)構(gòu)Si-JFET具有更小的噪聲；當(dāng)連接SiC探測(cè)器時(shí)，采用SiC-JFET的探測(cè)系統(tǒng)在溫度超過(guò)324 K或成形時(shí)間大于3.5μs時(shí)具有更低的噪聲。
研究成果表明，SiC半導(dǎo)體在制造耐高溫低噪聲前端核電子學(xué)方面具備可行性和性能優(yōu)勢(shì)，該研究工作為開(kāi)發(fā)耐高溫前置放大器和探測(cè)——放大一體化探測(cè)系統(tǒng)開(kāi)辟了新思路，有助于進(jìn)一步推動(dòng)耐高溫核探測(cè)與核電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展。
TCAD仿真中使用的JFET器件結(jié)構(gòu)
SiC-JFET的主要特性參數(shù)受溫度升高的影響更小
采用SiC-JFET可以降低探測(cè)系統(tǒng)在高溫和長(zhǎng)成形時(shí)間下的噪聲
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