شبیه ‌سازی عملکرد حسگر کم‌ بهرۀ بهمنی در آشکارسازی اشعۀ ایکس

در ارتقاء آشکارسازهای کارامد برای آشکارسازی اشعۀ ایکس در تصویربرداری، تفکیک انرژی و اتلاف زمانی و هزینۀ ساخت از جمله ویژگی‌هایی است که ما را به طراحی آشکارساز نیمه‌هادی سوق می‌دهد. دیود با بهرۀ داخلی کم (lgad) با داشتن تقویت‌کنندگی داخلی این امکان را می‌دهد که در میدان کافی، فرایند تکثیر داخلی را با شتاب دادن به حامل‌ها، انرژی لازم برای یونیزاسیون و تولید حامل‌های ثانویه برای تولید بهرۀ بهتر (نسبت سیگنال به نویز بیش‌تر) و هم‌چنین بازدهِ زمانی بیش‌تر (در محدودۀ نانوثانیه) فراهم کند. در این مقاله، آشکارسازِ سیلیکونی lgad را با نرم‌افزار سیلواکو با اعمال ولتاژ بایاس معکوس و تابش در محدودۀ نور مرئی تا اشعۀ ایکس شبیه‌سازی کردیم. در این شبیه‌سازی، روش نیوتن و گامِل به کار رفت؛ در روش نیوتن، یکی از سازوکارهای برهم‌کنش اشعه با ماده را متغیر و باقی آن‌ها را ثابت در نظر می‌گیرند ولی در روش گامِل، تمامی سازوکارها به‌طور هم‌زمان حل می‌شود. در بازۀ طول موج در محدودۀ اشعۀ ایکس، جریان الکترونی در این آشکارساز از مرتبۀ 4-10 آمپر است و با افزایش انرژی این جریان کاهش می‌یابد. جریان تاریک از مرتبۀ 6-10 آمپر است. با اِعمال نور مرئی با طول موج 0/45 میکرومتر و شدت 1v/cm2، جریان آشکارساز در حدود ^4-10×6/5 آمپر به دست آمد. به ازای طول موج اشعۀ ایکس 5-10×1/0 میکرومتر و شدت 10^8v/cm2، جریان آشکارساز ^4-10×3/5 آمپر به دست آمد. با توجه به زمانِ پاسخ سریع این آشکارساز و جریان در محدودۀ میکروآمپر، آشکارساز مزبور گزینۀ مناسبی برای آشکارسازی اشعۀ ایکس است. هم‌چنین این آشکارساز عملکرد خوبی در محدودۀ نور مرئی نشان می‌دهد.

simulation of avalanche low-gain sensor performance in x-ray detection

x-ray applications in imaging and beyond require efficient and optimal detectors. energy separation, time loss, and manufacturing cost are among the features that led us to design a semiconductor detector. a low-gain avalanche diode (lgad) with internal amplification allows, in a sufficient field, the internal propagation process by accelerating the carriers, the energy required for ionization, and the generation of secondary carriers to produce a better gain (higher signal-to-noise ratio) and also provide more time efficiency (in the range of nanoseconds). in this article, we simulate the lgad silicon detector with silvaco software by applying reverse bias voltage and radiation in the range of visible light to x-ray. newton and gummel’s methods were used. in newton’s method, one of the mechanisms of radiation interaction with matter is considered variable and the rest are fixed. however, in gummel’s method, all mechanisms are solved simultaneously. in the x-ray wavelength range, the electron current in this detector is 10-4 amperes, and this current decreases with increasing energy. the dark current is 10-6 amperes. by applying visible light with 0.45-micrometer wavelength and 1 v/cm2 intensity, the detector current was obtained about 6.5×10-4 amperes. for 1.0×10-5 x-ray wavelength and 108 v/cm2 intensity, detector current was obtained about 3.5×10-4 amperes. considering the quick response time of this detector and the current in the range of microamps, this detector is a suitable option for x-ray detection. also, this detector shows superior performance in the visible light range.