研究目的
研究采用正面偏置技术的CMOS像素传感器中的耗尽深度，重点探究高阻抗衬底上耗尽深度随偏置电压的变化规律，以应用于粒子追踪和X射线探测领域。
研究成果
前向偏置技术能够实现薄外延层（在30V偏压下可达13微米）的完全耗尽以及块状衬底（在40V偏压下可达17微米）的部分耗尽，并在块状衬底的耗尽体积之外实现有效电荷收集。该方法在粒子追踪和X射线探测应用中具有前景，但需要进一步研究以优化并验证其对带电粒子的适用性。
研究不足
该分析模型进行了简化，可能无法完全反映实际传感器几何结构，尤其对于高电阻率情况。TCAD模拟计算量较大且基于特定假设。实验估算依赖于模拟得出的参考深度，可能受到X射线计数率和探测效率不确定性的影响。本研究仅限于特定衬底类型及最高45V的偏置电压。
1：实验设计与方法选择：
本研究采用CMOS像素传感器的前侧偏置技术，通过解析建模（简化点状二极管模型）和3D-TCAD仿真预测耗尽深度，并利用X射线照射进行实验验证以测量耗尽深度。
2：样本选择与数据来源：
传感器原型（PIPPER-2）制备于两种衬底：18微米厚高阻外延层（HR18，>1千欧·厘米）和减薄体硅衬底（CZ，600欧·厘米，减薄至40微米敏感深度）。X射线源包括55Fe源（5.89 keV）和配备单色器的Rigaku D/MAX-B X射线发生器（17.48 keV）。
3：89 keV）和配备单色器的Rigaku D/MAX-B X射线发生器（48 keV）。 实验设备与材料清单：
3. 实验设备与材料清单：PIPPER-2 CMOS像素传感器原型、高压偏置装置、X射线源（55Fe和Rigaku D/MAX-B）、用于信号数字化的外部14位模数转换器，以及TCAD仿真计算工具（Synopsys TCAD）。
4：实验流程与操作步骤：
对传感器施加反向偏压（最高45V），用X射线照射，采集帧数据（每个偏压300万帧），通过聚类分析识别X射线击中点，并基于比尔-朗伯定律利用计数比分析电荷分布以估算耗尽深度。
5：数据分析方法：
采用解析模型和TCAD仿真进行预测。实验数据通过拟合全能量峰并积分计数进行分析，耗尽深度根据衰减系数计算，并参考模拟得出的基准深度。
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Rigaku D/MAX-B
X-ray generator
Rigaku
Generates X-rays for illuminating the sensor, used with a graphite monochromator to provide monochromatic X-rays at 17.48 keV.
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PIPPER-2
Prototype CMOS pixel sensor
Sensor for detecting ionizing particles and photons, used to study depletion depth with frontside biasing.
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55Fe source
Sealed radioactive source
Provides X-rays at 5.89 keV for sensor illumination in experiments.
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Analog-to-digital converter
14-bit
Digitizes the analog output from the sensor pixels for data analysis.
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TCAD tools
Synopsys
Software for finite element simulations to model and predict depletion depths in the sensors.
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