第20卷第2期核电子学与探测技术Vol120No122000年3月NuclearElectronicsDetectionTechnologyMar.2000用于GaAs半导体探测器的电荷灵敏前置放大器的设计王玉,张永明,李澄,吴瑞生,陈宏芳,汪晓莲(中国科学技术大学近代物理系,合肥230027摘要:介绍了一种用于GaAs半导体探测器,以场效应管和集成运放为主要器件的低噪声的电荷灵敏前置放大器的设计。设计性能指标达到:电荷灵敏度2×1012VC,等效噪声电荷<100(电子2空穴,上升时间<10ns。关键词:GaAs半导体探测器;电荷灵敏:TN722.7+1文献标识码:A:0258-0934(200002-01052030引言半导体探测器是60年代发展起来的粒子探测器,90年代初人们发现新型砷化镓化合物半导体作为粒子探测器具有对X射线和Χ射线的转换效率高、能量分辨率好、抗辐射性能好、可在室温下工作等特点,是新一代Χ相机、工业和医用CT的一种理想的射线传感元件,在新的高能对撞物理实验、宇宙暗物质的寻找以及X射线、Χ射线天文学上的应用前景也十分诱人。我们与上海交通大学微电子技术研究所协作,进行了双金属接触(MSM砷化镓半导体芯片的粒子探测的性能研究。结合GaAs半导体探测器,我们设计了一种与之相配合的,以结型场效应管、集成运放为主要部件的电荷灵敏前置放大器。1设计思想由于半导体探测器的结电容与工作电压Vs有关,而Vs不能视为常量,所以要消除输入端总电容Ci不稳定对输出电压幅度不稳定的影响,故采用带反馈电容Cf的电荷灵敏型前置放大器。半导体探测器具有能量分辨高但输出幅度小(其输出脉冲为QCf[1]的特点,要求前放的信噪比尽量的高,所以通常采用低噪声的结型场效应管作为输入级。Kµ1、KCfµCi是电荷灵敏放大器的根本条件[2](其中K是放大倍数,Ci为不考虑反馈的输入端总电容。集成运放的开环增益在100dB以上,满足要求。课题中拟将多个GaAs探测器排列组成一个探测器阵列,可进行空间分辨和能量分辨的测量,在实现中要解决前置放大电路体积过于庞大的问题,所以采用集成运放将多路放大电路收稿日期:1998-11-15基金项目:中国科学院和中国科学技术大学留学科研基金资助作者简介:王玉(1976-,男,硕士。501集成在一个较小的体积范围内是必要的。图1电荷灵敏放大器的基本电路2原理电路图1为电路的基本形式。主要由一低噪声的场效应管和一高频低噪声晶体管及一低噪声宽频带的运算放大器组成。输入级场效应管采用共源方式,其栅极通过栅极电阻R5的直流反馈作用提供直流电位和保证其静态工作点的稳定。采用集成运算放大器以获得足够的放大系数,其之前加一级晶体管射随器以满足运放的共模输入的要求,且在不损害输入级放大器上升时间的情况下提高其放大倍数。将电容Cf接于输出与输入端之间实现交流反馈,另有电容C4、C6实现输入和输出的交流耦合。电源部分则将NIM的直流电源转换为本电路元器件所需的纹波系数小、稳定度高的直流电源。半导体探测器直接连接在输入端B2,偏压B1通过阻容(R1、C1、R2、C2滤波和负载电阻加到探测器上。测试信号从检验端B3加入,它将测试的快电压信号转换为电荷信号。整个电路的静态工作点由A1、A2、A3调节。一般J1管工作在栅源电压接近零偏压附近,场效应管工作在噪声低的最大跨导区,这段范围内的信噪比较其他好几倍。调节A1、A2使它工作于合适的漏极电压,根据场效应管的转移特性曲线iD2VGS调节A3选择合适的J1的漏极电流,具体的参数值可由近似公式iD=IDSS(1-VGSVp2(0≥VGS≥Vp估算。由于J1工作在预夹断的全夹断的范围内,即要满足VGS-VDS≥Vp,Vp约为-7V,选择VGS约为-1V时,有VDS≥6V,故需使用+12V电源。但MAX4107的最大共模输入电压为2.5V,所以设计使用由3DG81高频低噪声管组成的射随器,通过R7、A2分压输入运放的正相端。可调节A2满足V+=V-,保证运放的两输入端等电位。由于工作点在负的接近零偏压处,运放的电源选为+5、-6V。3主要器件的选择3.1输入管的选择JFET相对于BJTMOSFETMESFET具有更低的低频噪声和散粒噪声[3],所以选取JFET作为前放的输入级。3DJ7、3DJ9、2N4393、2N4416等都为低噪声,宽频带的结型场效应管。在同型的场效应管中,再选择跨导较大、栅源电容较小的FET使用。我们选用的3DJ9J结601型场效应管的跨导为4000Λ,栅源电容约为2.8pF,它具有良好的噪声特...