核能安全所科研人员提出耐高温辐射探测系统的新型碳化硅基放大器件解决方案
文章来源：张锐 发布时间：2023-12-13
近期，核能安全所科研人员在耐高温核探测技术研究方面取得新进展，研究成果发表在核科学技术领域国际权威期刊《IEEE Transactions on Nuclear Science》上。
基于宽禁带半导体的新型辐射探测器具有耐高温、抗辐照、低噪声的优势，在航空航天、聚变诊断、深地测井等应用场景中具有广阔的应用前景。但是半导体探测器信号微弱，需要与前置放大器等前端电子学电路紧密连接才能达到较好的测量效果，而传统硅（Si）半导体前置放大器难以耐受高温环境，亟需研究开发新型耐高温、低噪声的前置放大器。
针对这一课题，科研人员提出了采用宽禁带半导体碳化硅（SiC）制造前置放大器的解决方案。科研人员研究了碳化硅结型场效应管（SiC-JFET）在高温下的放大性能和输出噪声变化；通过深入分析前置放大器输入级晶体管对系统噪声的贡献，总结了温度变化对噪声的影响规律；利用TCAD仿真方法比较了基于Si和SiC的JFET在不同温度下的电学特性和输出噪声，阐释了性能变化规律和物理机制。
研究结果显示：相比于Si-JFET，SiC-JFET具有更好的温度稳定性和更宽的工作温度范围；由于具有极低的栅极漏电流，SiC-JFET在300 K-675 K下时始终比相同结构Si-JFET具有更小的噪声；当连接SiC探测器时，采用SiC-JFET的探测系统在温度超过324 K或成形时间大于3.5μs时具有更低的噪声。
研究成果表明，SiC半导体在制造耐高温低噪声前端核电子学方面具备可行性和性能优势，该研究工作为开发耐高温前置放大器和探测-放大一体化探测系统开辟了新思路，有助于进一步推动耐高温核探测与核电子学技术的发展。
核能安全技术研究所博士研究生张锐为论文第一作者，陈思泽副研究员为通讯作者。上述研究工作得到了国家自然科学基金重大科学仪器研制项目和国家重点研发计划项目的资助和支持。
论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10234556
SiC-JFET的主要特性参数受温度升高的影响更小
采用SiC-JFET可以降低探测系统在高温和长成形时间下的噪声
