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第五章第五章 半导体探测器半导体探测器 5-1 半导体探测器基础半导体探测器基础5-2 硅微条探测器的结构和原理硅微条探测器的结构和原理5-3 半导体探测器的发展半导体探测器的发展5-4 半导体探测器的应用半导体探测器的应用5-1 半导体探测器基础半导体探测器基础一、半导体的基本知识一、半导体的基本知识1.导体、半导体、绝缘体的能带导体、半导体、绝缘体的能带 物体导电是物体内电子在外电场作用下定向运动的结果。物体导电是物体内电子在外电场作用下定向运动的结果。物体导电是物体内电子在外电场作用下定向运动的结果。物体导电是物体内电子在外电场作用下定向运动的结果。由于电场力对电子的作用，使电子的运动速度和能量发生变化。由于电场力对电子的作用，使电子的运动速度和能量发生变化。由于电场力对电子的作用，使电子的运动速度和能量发生变化。由于电场力对电子的作用，使电子的运动速度和能量发生变化。从能带论来看，电子能量变化就是电子从一个能级跃迁到另一个从能带论来看，电子能量变化就是电子从一个能级跃迁到另一个从能带论来看，电子能量变化就是电子从一个能级跃迁到另一个从能带论来看，电子能量变化就是电子从一个能级跃迁到另一个能级上。能级上。能级上。能级上。n n满带：满带：满带：满带：能级已被电子所占满，一般外电场作用时，其电子不形能级已被电子所占满，一般外电场作用时，其电子不形能级已被电子所占满，一般外电场作用时，其电子不形能级已被电子所占满，一般外电场作用时，其电子不形成电流，对导电没有贡献，亦称价带。成电流，对导电没有贡献，亦称价带。成电流，对导电没有贡献，亦称价带。成电流，对导电没有贡献，亦称价带。n n导带：导带：导带：导带：能带被电子部分占满，在外电场作用下，电子从外电场能带被电子部分占满，在外电场作用下，电子从外电场能带被电子部分占满，在外电场作用下，电子从外电场能带被电子部分占满，在外电场作用下，电子从外电场吸收能量跃迁到未被电子占据的能级上去，形成电流，起导电作吸收能量跃迁到未被电子占据的能级上去，形成电流，起导电作吸收能量跃迁到未被电子占据的能级上去，形成电流，起导电作吸收能量跃迁到未被电子占据的能级上去，形成电流，起导电作用。用。用。用。n n禁带：禁带：禁带：禁带：满带和导带之间的禁区称为禁带，其宽度也称为能隙，满带和导带之间的禁区称为禁带，其宽度也称为能隙，满带和导带之间的禁区称为禁带，其宽度也称为能隙，满带和导带之间的禁区称为禁带，其宽度也称为能隙，记做记做记做记做EgEg。n n半导体和绝缘体之间的差别在于禁带宽度不同：半导体和绝缘体之间的差别在于禁带宽度不同：半导体和绝缘体之间的差别在于禁带宽度不同：半导体和绝缘体之间的差别在于禁带宽度不同：绝缘体禁带较宽，绝缘体禁带较宽，绝缘体禁带较宽，绝缘体禁带较宽，Eg=5-10eVEg=5-10eV 由于能带取决于原子间距，所以由于能带取决于原子间距，所以由于能带取决于原子间距，所以由于能带取决于原子间距，所以EgEg与温度和压力有关。一般禁带宽与温度和压力有关。一般禁带宽与温度和压力有关。一般禁带宽与温度和压力有关。一般禁带宽度大的材料，耐高温性能和耐辐照性能好。度大的材料，耐高温性能和耐辐照性能好。度大的材料，耐高温性能和耐辐照性能好。度大的材料，耐高温性能和耐辐照性能好。n n一般情况下，半导体的满带完全被电子占满，导带中没有电子。在热一般情况下，半导体的满带完全被电子占满，导带中没有电子。在热一般情况下，半导体的满带完全被电子占满，导带中没有电子。在热一般情况下，半导体的满带完全被电子占满，导带中没有电子。在热力学温度为零时，即使有外电场作用，它们并不导电。但是当温度升力学温度为零时，即使有外电场作用，它们并不导电。但是当温度升力学温度为零时，即使有外电场作用，它们并不导电。但是当温度升力学温度为零时，即使有外电场作用，它们并不导电。但是当温度升高或有光照时，半导体满带中少量电子会获得能量而被激发到导带上，高或有光照时，半导体满带中少量电子会获得能量而被激发到导带上，高或有光照时，半导体满带中少量电子会获得能量而被激发到导带上，高或有光照时，半导体满带中少量电子会获得能量而被激发到导带上，这些电子在外电场作用下将参与导电。同时满带中留下的空穴也参与这些电子在外电场作用下将参与导电。同时满带中留下的空穴也参与这些电子在外电场作用下将参与导电。同时满带中留下的空穴也参与这些电子在外电场作用下将参与导电。同时满带中留下的空穴也参与导电。导电。导电。导电。2.2.电荷载流子及其在电场中的迁移电荷载流子及其在电场中的迁移电荷载流子及其在电场中的迁移电荷载流子及其在电场中的迁移n n载流子：载流子：载流子：载流子：是电子和空穴的统称。是电子和空穴的统称。是电子和空穴的统称。是电子和空穴的统称。n n在单位时间内，因受热激发而产生电子在单位时间内，因受热激发而产生电子在单位时间内，因受热激发而产生电子在单位时间内，因受热激发而产生电子-空穴对的几率为空穴对的几率为空穴对的几率为空穴对的几率为 取决于禁带宽度取决于禁带宽度取决于禁带宽度取决于禁带宽度EgEg和绝对温度和绝对温度和绝对温度和绝对温度T T的比。的比。的比。的比。n n外加电场时，电子和空穴都运动，方向相反。外加电场时，电子和空穴都运动，方向相反。外加电场时，电子和空穴都运动，方向相反。外加电场时，电子和空穴都运动，方向相反。若电场不高，漂移速度正比于外加电场若电场不高，漂移速度正比于外加电场若电场不高，漂移速度正比于外加电场若电场不高，漂移速度正比于外加电场E E v=v=E E，=e=e /2m /2m 为迁移率为迁移率为迁移率为迁移率 气体探测器，电子的迁移率远大于正离子；气体探测器，电子的迁移率远大于正离子；气体探测器，电子的迁移率远大于正离子；气体探测器，电子的迁移率远大于正离子；半导体中，电子和空穴的迁移率基本相同。半导体中，电子和空穴的迁移率基本相同。半导体中，电子和空穴的迁移率基本相同。半导体中，电子和空穴的迁移率基本相同。当电场逐渐增高时，漂移速度随电场增加变慢，并最后达到饱和。当电场逐渐增高时，漂移速度随电场增加变慢，并最后达到饱和。当电场逐渐增高时，漂移速度随电场增加变慢，并最后达到饱和。当电场逐渐增高时，漂移速度随电场增加变慢，并最后达到饱和。半导体探测器一般都工作在非常高的电场条件下，以得到电荷载流半导体探测器一般都工作在非常高的电场条件下，以得到电荷载流半导体探测器一般都工作在非常高的电场条件下，以得到电荷载流半导体探测器一般都工作在非常高的电场条件下，以得到电荷载流子的饱和速度，子的饱和速度，子的饱和速度，子的饱和速度，10107 7cm/scm/s。当芯片厚度为当芯片厚度为当芯片厚度为当芯片厚度为0.1cm0.1cm时，收集时间时，收集时间时，收集时间时，收集时间10ns10ns。具有非常快的时间响应。具有非常快的时间响应。具有非常快的时间响应。具有非常快的时间响应。3.3.本征半导体与掺杂本征半导体与掺杂n n理想的不含杂质的半导体称为本征半导体，导理想的不含杂质的半导体称为本征半导体，导理想的不含杂质的半导体称为本征半导体，导理想的不含杂质的半导体称为本征半导体，导带上的电子数目严格等于满带上的空穴数目，带上的电子数目严格等于满带上的空穴数目，带上的电子数目严格等于满带上的空穴数目，带上的电子数目严格等于满带上的空穴数目，n=p n=p n=p n=p。n n掺杂：在本征半导体内掺入杂质，来改变半导掺杂：在本征半导体内掺入杂质，来改变半导掺杂：在本征半导体内掺入杂质，来改变半导掺杂：在本征半导体内掺入杂质，来改变半导体材料的性能。体材料的性能。体材料的性能。体材料的性能。NN型（电子型）半导体：型（电子型）半导体：型（电子型）半导体：型（电子型）半导体：导带内电子运动。导带内电子运动。导带内电子运动。导带内电子运动。P P型（空穴型）半导体：型（空穴型）半导体：型（空穴型）半导体：型（空穴型）半导体：满带内空穴运动。满带内空穴运动。满带内空穴运动。满带内空穴运动。掺入掺入五价元素：五价元素：P(磷磷)、As(砷砷)、Sb(锑锑)、Li(锂）等。五价元素原子锂）等。五价元素原子的第的第5个价电子都激发到导带中参与个价电子都激发到导带中参与导电，五价元素原子成为正离子，是导电，五价元素原子成为正离子，是不能移动的正电中心。这种半导体的不能移动的正电中心。这种半导体的导电主要是电子贡献，称作导电主要是电子贡献，称作电子型或电子型或N型半导体。型半导体。把电子贡献给导带的杂质称为把电子贡献给导带的杂质称为施主杂施主杂质质，杂质能级叫，杂质能级叫施主能级，施主能级，位于导带位于导带底部。底部。掺入掺入三价元素：三价元素：B(硼硼)、Al(铝铝)、Ga(镓镓)、In(铟铟)。三价元素原子有从附近吸收一个电。三价元素原子有从附近吸收一个电子的趋势，而在价带中产生空穴。在室温下子的趋势，而在价带中产生空穴。在室温下三价元素原子几乎都形成负离子，是不能移三价元素原子几乎都形成负离子，是不能移动的负电中心，这种半导体的导电主要是空动的负电中心，这种半导体的导电主要是空穴的贡献，称作穴的贡献，称作空穴型或空穴型或P型半导体。型半导体。能接受能接受价价带中电子而产生导电空穴的杂质称带中电子而产生导电空穴的杂质称为为受主杂质受主杂质。在价带上面形成的新的能级叫在价带上面形成的新的能级叫受主能级受主能级，位于价带的顶部。，位于价带的顶部。n n对于掺杂半导体，除了本征激发产生的电子空穴对以对于掺杂半导体，除了本征激发产生的电子空穴对以对于掺杂半导体，除了本征激发产生的电子空穴对以对于掺杂半导体，除了本征激发产生的电子空穴对以外，还有施主杂质提供的电子和受主杂质提供的空穴，外，还有施主杂质提供的电子和受主杂质提供的空穴，外，还有施主杂质提供的电子和受主杂质提供的空穴，外，还有施主杂质提供的电子和受主杂质提供的空穴，所以电子和空穴的浓度不相等。所以电子和空穴的浓度不相等。所以电子和空穴的浓度不相等。所以电子和空穴的浓度不相等。结构缺陷结构缺陷结构缺陷结构缺陷 点缺陷：点缺陷：点缺陷：点缺陷：晶格上出现空位或应该空位处出现了原子。晶格上出现空位或应该空位处出现了原子。晶格上出现空位或应该空位处出现了原子。晶格上出现空位或应该空位处出现了原子。线缺陷：线缺陷：线缺陷：线缺陷：晶体受应力作用发生错位（沿平面滑移）。晶体受应力作用发生错位（沿平面滑移）。晶体受应力作用发生错位（沿平面滑移）。晶体受应力作用发生错位（沿平面滑移）。晶格缺陷也能俘获或放出电子，相当于在晶体禁带中晶格缺陷也能俘获或放出电子，相当于在晶体禁带中晶格缺陷也能俘获或放出电子，相当于在晶体禁带中晶格缺陷也能俘获或放出电子，相当于在晶体禁带中附加受主或施主能级，也起受主或施主作用。附加受主或施主能级，也起受主或施主作用。附加受主或施主能级，也起受主或施主作用。附加受主或施主能级，也起受主或施主作用。4 4、PNPN结（结（pn junctionpn junction）结合前结合前，N区的电子比区的电子比P区多，区多，P区的区的空穴比空穴比N区多。区多。结合后结合后，电子由，电子由N区向区向P区扩散与空穴区扩散与空穴复合；空穴由复合；空穴由P区向区向N区扩散与电子复区扩散与电子复合。扩散的结果形成合。扩散的结果形成PN结。结。在在PN结区结区，电子空穴很少，剩下的杂，电子空穴很少，剩下的杂质正负离子形成空间电荷区，其质正负离子形成空间电荷区，其内建内建电场电场方向由方向由N区指向区指向P区，阻止电子、区，阻止电子、空穴继续扩散，并造成空穴继续扩散，并造成少数载流子的少数载流子的反向漂移运动反向漂移运动。当扩散运动和反向漂。当扩散运动和反向漂移运动达到平衡时，移运动达到平衡时，P区或区或N区的电子区的电子空穴浓度就不再变化。空穴浓度就不再变化。这个这个由不可移动的杂质离子组成的空由不可移动的杂质离子组成的空间电荷区间电荷区，即，即PN结区结区，对电导率没有，对电导率没有贡献，而载流子的密度非常低，亦称贡献，而载流子的密度非常低，亦称耗尽区，阻挡层，势垒区。耗尽区，阻挡层，势垒区。半导体探测器的灵敏区半导体探测器的灵敏区半导体半导体半导体半导体PNPNPNPN结可作为灵敏区结可作为灵敏区结可作为灵敏区结可作为灵敏区1 1 1 1）在）在）在）在PNPNPNPN结区可移动的载流子基本被耗尽，只留下电离结区可移动的载流子基本被耗尽，只留下电离结区可移动的载流子基本被耗尽，只留下电离结区可移动的载流子基本被耗尽，只留下电离了的正负电中心，对电导率无贡献，其具有很高的了的正负电中心，对电导率无贡献，其具有很高的了的正负电中心，对电导率无贡献，其具有很高的了的正负电中心，对电导率无贡献，其具有很高的电阻率。电阻率。电阻率。电阻率。2 2 2 2）PNPNPNPN结加上一定负偏压，耗尽区扩展，可达全耗尽，结加上一定负偏压，耗尽区扩展，可达全耗尽，结加上一定负偏压，耗尽区扩展，可达全耗尽，结加上一定负偏压，耗尽区扩展，可达全耗尽，死层极薄，外加电压几乎全部加到死层极薄，外加电压几乎全部加到死层极薄，外加电压几乎全部加到死层极薄，外加电压几乎全部加到PNPNPNPN结上，形成很结上，形成很结上，形成很结上，形成很高电场。高电场。高电场。高电场。3 3 3 3）漏电流很小，有很好的信噪比。）漏电流很小，有很好的信噪比。）漏电流很小，有很好的信噪比。）漏电流很小，有很好的信噪比。4 4 4 4）当有带电粒子通过时，产生的电子）当有带电粒子通过时，产生的电子）当有带电粒子通过时，产生的电子）当有带电粒子通过时，产生的电子-空穴对，在强空穴对，在强空穴对，在强空穴对，在强电场的作用下，很快地迁移出耗尽区，在电极上产电场的作用下，很快地迁移出耗尽区，在电极上产电场的作用下，很快地迁移出耗尽区，在电极上产电场的作用下，很快地迁移出耗尽区，在电极上产生信号。生信号。生信号。生信号。5.PN结的偏压特性结的偏压特性n n当当当当PNPN结不加偏压时，能起到一定的探测器作用，但性能很差结不加偏压时，能起到一定的探测器作用，但性能很差结不加偏压时，能起到一定的探测器作用，但性能很差结不加偏压时，能起到一定的探测器作用，但性能很差自发形成的电场低，不利于收集；耗尽区薄，信噪比差自发形成的电场低，不利于收集；耗尽区薄，信噪比差自发形成的电场低，不利于收集；耗尽区薄，信噪比差自发形成的电场低，不利于收集；耗尽区薄，信噪比差n n当当当当PNPN结加正向偏压时，加很低的电压，也会有很大的电流，信结加正向偏压时，加很低的电压，也会有很大的电流，信结加正向偏压时，加很低的电压，也会有很大的电流，信结加正向偏压时，加很低的电压，也会有很大的电流，信号将被淹没，无法作为探测器号将被淹没，无法作为探测器号将被淹没，无法作为探测器号将被淹没，无法作为探测器n n加反向电压，加反向电压，加反向电压，加反向电压，NN区接正，区接正，区接正，区接正，P P区接负，外加电场方向与内建电场方区接负，外加电场方向与内建电场方区接负，外加电场方向与内建电场方区接负，外加电场方向与内建电场方向相同，使耗尽层增厚，漂移运动增强。当带电粒子穿过时产生向相同，使耗尽层增厚，漂移运动增强。当带电粒子穿过时产生向相同，使耗尽层增厚，漂移运动增强。当带电粒子穿过时产生向相同，使耗尽层增厚，漂移运动增强。当带电粒子穿过时产生电子空穴对，在高电场下分别向正负电极漂移，产生信号。信电子空穴对，在高电场下分别向正负电极漂移，产生信号。信电子空穴对，在高电场下分别向正负电极漂移，产生信号。信电子空穴对，在高电场下分别向正负电极漂移，产生信号。信号幅度正比于电子空穴对数目，正比于入射粒子损失能量。所以号幅度正比于电子空穴对数目，正比于入射粒子损失能量。所以号幅度正比于电子空穴对数目，正比于入射粒子损失能量。所以号幅度正比于电子空穴对数目，正比于入射粒子损失能量。所以加反向偏压的加反向偏压的加反向偏压的加反向偏压的PNPN结就是结型半导体探测器的灵敏区。结就是结型半导体探测器的灵敏区。结就是结型半导体探测器的灵敏区。结就是结型半导体探测器的灵敏区。n n优点：优点：1 1）非常好的位置分辨）非常好的位置分辨）非常好的位置分辨）非常好的位置分辨 这是硅微条探测器最突出的特点。它的位置分辨率是目前应这是硅微条探测器最突出的特点。它的位置分辨率是目前应这是硅微条探测器最突出的特点。它的位置分辨率是目前应这是硅微条探测器最突出的特点。它的位置分辨率是目前应用的各种探测器中最高的，目前可做到用的各种探测器中最高的，目前可做到用的各种探测器中最高的，目前可做到用的各种探测器中最高的，目前可做到1.4m1.4m。主要因为固体的密度比气体大主要因为固体的密度比气体大主要因为固体的密度比气体大主要因为固体的密度比气体大100 100 倍左右倍左右倍左右倍左右,带电粒子穿过探带电粒子穿过探带电粒子穿过探带电粒子穿过探测器测器测器测器,产生的电子产生的电子产生的电子产生的电子-空穴对空穴对空穴对空穴对(e-h)(e-h)的密度非常高的密度非常高的密度非常高的密度非常高,大约为大约为大约为大约为110e-h/m110e-h/m。另外由于现代半导体技术工艺另外由于现代半导体技术工艺另外由于现代半导体技术工艺另外由于现代半导体技术工艺,光刻技术及高集成度低噪声读光刻技术及高集成度低噪声读光刻技术及高集成度低噪声读光刻技术及高集成度低噪声读出电子学的飞速发展出电子学的飞速发展出电子学的飞速发展出电子学的飞速发展,每个读出条可对应一路读出电子学每个读出条可对应一路读出电子学每个读出条可对应一路读出电子学每个读出条可对应一路读出电子学,更更更更有利于空间分辨率的提高。有利于空间分辨率的提高。有利于空间分辨率的提高。有利于空间分辨率的提高。6.半导体探测器的特点半导体探测器的特点2 2）很高的能量分辨率）很高的能量分辨率）很高的能量分辨率）很高的能量分辨率 半导体探测器的能量分辨率比气体探测器大约高一个数量级半导体探测器的能量分辨率比气体探测器大约高一个数量级半导体探测器的能量分辨率比气体探测器大约高一个数量级半导体探测器的能量分辨率比气体探测器大约高一个数量级,比比比比闪烁计数器高得更多。闪烁计数器高得更多。闪烁计数器高得更多。闪烁计数器高得更多。这是因为在硅半导体中电离产生一对电子这是因为在硅半导体中电离产生一对电子这是因为在硅半导体中电离产生一对电子这是因为在硅半导体中电离产生一对电子-空穴对只需要空穴对只需要空穴对只需要空穴对只需要3eV3eV左右左右左右左右的能量的能量的能量的能量,而气体中产生一对离子对所需能量大约为而气体中产生一对离子对所需能量大约为而气体中产生一对离子对所需能量大约为而气体中产生一对离子对所需能量大约为30eV,30eV,塑料闪塑料闪塑料闪塑料闪烁探测器在光阴极上产生一个光电子需要的能量大约为烁探测器在光阴极上产生一个光电子需要的能量大约为烁探测器在光阴极上产生一个光电子需要的能量大约为烁探测器在光阴极上产生一个光电子需要的能量大约为300eV300eV。带电粒子在硅半导体中的能量损失也很高带电粒子在硅半导体中的能量损失也很高带电粒子在硅半导体中的能量损失也很高带电粒子在硅半导体中的能量损失也很高,在硅晶体中在硅晶体中在硅晶体中在硅晶体中,能量损失能量损失能量损失能量损失大约大约大约大约390eV/390eV/m m。因此。因此。因此。因此,同样能量的带电粒子在半导体中产生同样能量的带电粒子在半导体中产生同样能量的带电粒子在半导体中产生同样能量的带电粒子在半导体中产生的电子的电子的电子的电子-空穴对数要比气体中产生的离子对高一个数量级以上。这空穴对数要比气体中产生的离子对高一个数量级以上。这空穴对数要比气体中产生的离子对高一个数量级以上。这空穴对数要比气体中产生的离子对高一个数量级以上。这样电荷数的相对统计涨落也比气体小很多。样电荷数的相对统计涨落也比气体小很多。样电荷数的相对统计涨落也比气体小很多。样电荷数的相对统计涨落也比气体小很多。法诺因子法诺因子法诺因子法诺因子F F也小。也小。也小。也小。硅硅硅硅 F0.10 F0.10，锗锗锗锗 F0.06 F0.06气体气体气体气体 F0.4 F0.4 闪烁体闪烁体闪烁体闪烁体 F=1 F=13 3）能量线性很好）能量线性很好）能量线性很好）能量线性很好 半导体的平均电离功与入射粒子的能量和种类以及探测器的类型无关，半导体的平均电离功与入射粒子的能量和种类以及探测器的类型无关，半导体的平均电离功与入射粒子的能量和种类以及探测器的类型无关，半导体的平均电离功与入射粒子的能量和种类以及探测器的类型无关，只要所产生的电子空穴对全部被收集，探测器输出脉冲与入射粒子能只要所产生的电子空穴对全部被收集，探测器输出脉冲与入射粒子能只要所产生的电子空穴对全部被收集，探测器输出脉冲与入射粒子能只要所产生的电子空穴对全部被收集，探测器输出脉冲与入射粒子能量成正比。量成正比。量成正比。量成正比。半导体探测器对各种粒子都有良好的能量线性。半导体探测器对各种粒子都有良好的能量线性。半导体探测器对各种粒子都有良好的能量线性。半导体探测器对各种粒子都有良好的能量线性。4 4）非常快的响应时间）非常快的响应时间）非常快的响应时间）非常快的响应时间 在半导体探测器中在半导体探测器中在半导体探测器中在半导体探测器中,由于采用微电子工艺的半导体探测器很薄由于采用微电子工艺的半导体探测器很薄由于采用微电子工艺的半导体探测器很薄由于采用微电子工艺的半导体探测器很薄,它的电它的电它的电它的电荷在很小的区域里收集荷在很小的区域里收集荷在很小的区域里收集荷在很小的区域里收集,响应时间非常快响应时间非常快响应时间非常快响应时间非常快,一般可达到一般可达到一般可达到一般可达到5n s 5n s 左右。因此左右。因此左右。因此左右。因此,可以实现高计数率可以实现高计数率可以实现高计数率可以实现高计数率,可超过可超过可超过可超过10108 8/cm/cm2 2s s。5 5）体积可做得很小）体积可做得很小）体积可做得很小）体积可做得很小 由于硅半导体密度大由于硅半导体密度大由于硅半导体密度大由于硅半导体密度大,有一定的刚度有一定的刚度有一定的刚度有一定的刚度,它可以做得很薄并能自身支持它可以做得很薄并能自身支持它可以做得很薄并能自身支持它可以做得很薄并能自身支持,典型的厚度是典型的厚度是典型的厚度是典型的厚度是300300m m 左右左右左右左右,当带电粒子穿过时当带电粒子穿过时当带电粒子穿过时当带电粒子穿过时,大约可产生大约可产生大约可产生大约可产生3.2103.2104 4 电电电电子子子子-空穴对。有的还可做得更薄空穴对。有的还可做得更薄空穴对。有的还可做得更薄空穴对。有的还可做得更薄,整个探测器可以做得很小。整个探测器可以做得很小。整个探测器可以做得很小。整个探测器可以做得很小。6 6）抗磁场性能好）抗磁场性能好）抗磁场性能好）抗磁场性能好 对磁场对磁场对磁场对磁场(B10KG)(BNNNN，耗尽层，耗尽层，耗尽层，耗尽层NN型的一边特别宽，型的一边特别宽，型的一边特别宽，型的一边特别宽，P P边很窄，边很窄，边很窄，边很窄，即即即即P P+NN。如：如：如：如：N NPP=10=101515cmcm-3-3，NNNN=5x10=5x101212cmcm-3-3，VVBB=100V=100V则则则则 W WPP=0.4=0.4 mm，WWNN=300=300 mm常采用常采用 P P+NNNN+结构结构薄铝条、薄铝条、薄铝条、薄铝条、SiOSiO2 2隔离条、隔离条、隔离条、隔离条、重掺重掺重掺重掺P P+条条条条300300 mm厚的厚的厚的厚的NN型硅型硅型硅型硅基，灵敏区基，灵敏区基，灵敏区基，灵敏区重掺重掺重掺重掺NN+层和铝薄膜组成层和铝薄膜组成层和铝薄膜组成层和铝薄膜组成的背衬电极的背衬电极的背衬电极的背衬电极微条（信号读出条），微条（信号读出条），微条（信号读出条），微条（信号读出条），条距决定空间分辨率条距决定空间分辨率条距决定空间分辨率条距决定空间分辨率保护环，屏蔽（噪声、保护环，屏蔽（噪声、保护环，屏蔽（噪声、保护环，屏蔽（噪声、辐照）辐照）辐照）辐照）偏压连接带、电阻偏压连接带、电阻偏压连接带、电阻偏压连接带、电阻直流、交流接触片，信直流、交流接触片，信直流、交流接触片，信直流、交流接触片，信号通过它们连接前放。号通过它们连接前放。号通过它们连接前放。号通过它们连接前放。n n硅微条探测器是在一个硅微条探测器是在一个硅微条探测器是在一个硅微条探测器是在一个n n 型硅片的表型硅片的表型硅片的表型硅片的表面上面上面上面上,通过氧化和离子注入法通过氧化和离子注入法通过氧化和离子注入法通过氧化和离子注入法,局部局部局部局部扩散法或表面位垒法及光刻等技术工扩散法或表面位垒法及光刻等技术工扩散法或表面位垒法及光刻等技术工扩散法或表面位垒法及光刻等技术工艺制作成的。艺制作成的。艺制作成的。艺制作成的。n n其表面是均匀平行的附有一层铝膜的其表面是均匀平行的附有一层铝膜的其表面是均匀平行的附有一层铝膜的其表面是均匀平行的附有一层铝膜的重搀杂重搀杂重搀杂重搀杂p p+微条。微条。微条。微条。n n 型硅片的整个底型硅片的整个底型硅片的整个底型硅片的整个底面掺入杂质后面掺入杂质后面掺入杂质后面掺入杂质后,制成制成制成制成n n 型重搀杂型重搀杂型重搀杂型重搀杂n n+层层层层,其外层也附有一层铝其外层也附有一层铝其外层也附有一层铝其外层也附有一层铝,作为电极接触。作为电极接触。作为电极接触。作为电极接触。这样制成了表面均匀条形的这样制成了表面均匀条形的这样制成了表面均匀条形的这样制成了表面均匀条形的pnpn结型结型结型结型单边读出的探测器。单边读出的探测器。单边读出的探测器。单边读出的探测器。n 中间部分的耗尽层是探测器的灵敏区中间部分的耗尽层是探测器的灵敏区中间部分的耗尽层是探测器的灵敏区中间部分的耗尽层是探测器的灵敏区,当在这些条型当在这些条型当在这些条型当在这些条型pnpn结加上负偏压时结加上负偏压时结加上负偏压时结加上负偏压时,耗尽层在耗尽层在耗尽层在耗尽层在外加电场的作用下外加电场的作用下外加电场的作用下外加电场的作用下,随着电压升高而变厚。当电压足够高随着电压升高而变厚。当电压足够高随着电压升高而变厚。当电压足够高随着电压升高而变厚。当电压足够高,耗尽层几乎扩展到整个耗尽层几乎扩展到整个耗尽层几乎扩展到整个耗尽层几乎扩展到整个n-n-型硅片型硅片型硅片型硅片,基本达到了全耗尽基本达到了全耗尽基本达到了全耗尽基本达到了全耗尽,死层变得非常薄。因为其内部可移动的载流子密度很低死层变得非常薄。因为其内部可移动的载流子密度很低死层变得非常薄。因为其内部可移动的载流子密度很低死层变得非常薄。因为其内部可移动的载流子密度很低,电阻率很高电阻率很高电阻率很高电阻率很高,漏电流非常小漏电流非常小漏电流非常小漏电流非常小(好的硅微条探测器漏电流小于好的硅微条探测器漏电流小于好的硅微条探测器漏电流小于好的硅微条探测器漏电流小于100pA)100pA)。外加电压几乎。外加电压几乎。外加电压几乎。外加电压几乎全部加到耗尽区上全部加到耗尽区上全部加到耗尽区上全部加到耗尽区上,形成很高的电场。形成很高的电场。形成很高的电场。形成很高的电场。n n 在无辐射电离时在无辐射电离时在无辐射电离时在无辐射电离时,基本没有信号产生。当有带电粒子穿过探测器的灵敏区时基本没有信号产生。当有带电粒子穿过探测器的灵敏区时基本没有信号产生。当有带电粒子穿过探测器的灵敏区时基本没有信号产生。当有带电粒子穿过探测器的灵敏区时,将产将产将产将产生电子空穴对生电子空穴对生电子空穴对生电子空穴对,在高电场的作用下在高电场的作用下在高电场的作用下在高电场的作用下,电子向正极电子向正极电子向正极电子向正极(底板底板底板底板)漂移漂移漂移漂移,空穴向靠近径迹的加负空穴向靠近径迹的加负空穴向靠近径迹的加负空穴向靠近径迹的加负偏压的微条漂移，在这很小的区域内偏压的微条漂移，在这很小的区域内偏压的微条漂移，在这很小的区域内偏压的微条漂移，在这很小的区域内(探测器厚度在探测器厚度在探测器厚度在探测器厚度在300m 300m 左右左右左右左右)收集电荷只需很收集电荷只需很收集电荷只需很收集电荷只需很短的时间短的时间短的时间短的时间(几几几几nsns左右左右左右左右)。在探测器的微条上很快就读出了这个空穴。在探测器的微条上很快就读出了这个空穴。在探测器的微条上很快就读出了这个空穴。在探测器的微条上很快就读出了这个空穴(实为电子实为电子实为电子实为电子)运动产运动产运动产运动产生的电荷信号。读出电子学得到这个电荷信号生的电荷信号。读出电子学得到这个电荷信号生的电荷信号。读出电子学得到这个电荷信号生的电荷信号。读出电子学得到这个电荷信号,经过前置放大器将信号放大经过前置放大器将信号放大经过前置放大器将信号放大经过前置放大器将信号放大,再经过再经过再经过再经过模拟通道模拟通道模拟通道模拟通道,比较器比较器比较器比较器,模数转换模数转换模数转换模数转换(ADC)(ADC)后读入计算机。后读入计算机。后读入计算机。后读入计算机。n n探测器厚度选择探测器厚度选择探测器厚度选择探测器厚度选择 在设计、制作和使用硅微条探测器时需要考虑的一在设计、制作和使用硅微条探测器时需要考虑的一在设计、制作和使用硅微条探测器时需要考虑的一在设计、制作和使用硅微条探测器时需要考虑的一个重要原则问题是带电粒子在半导体探测器中的散射角个重要原则问题是带电粒子在半导体探测器中的散射角个重要原则问题是带电粒子在半导体探测器中的散射角个重要原则问题是带电粒子在半导体探测器中的散射角度与探测器的厚度问题。度与探测器的厚度问题。度与探测器的厚度问题。度与探测器的厚度问题。因为半导体的密度比较大因为半导体的密度比较大因为半导体的密度比较大因为半导体的密度比较大,带电粒子穿过探测器时带电粒子穿过探测器时带电粒子穿过探测器时带电粒子穿过探测器时,在探测器内部要经过多次散射。在探测器内部要经过多次散射。在探测器内部要经过多次散射。在探测器内部要经过多次散射。如果带电粒子的能量不高如果带电粒子的能量不高如果带电粒子的能量不高如果带电粒子的能量不高,探测器比较厚探测器比较厚探测器比较厚探测器比较厚,粒子在探测器内经过粒子在探测器内经过粒子在探测器内经过粒子在探测器内经过很多次散射后很多次散射后很多次散射后很多次散射后,角度偏转比较大角度偏转比较大角度偏转比较大角度偏转比较大,这将不利于粒子的径迹和顶点这将不利于粒子的径迹和顶点这将不利于粒子的径迹和顶点这将不利于粒子的径迹和顶点精确测量。精确测量。精确测量。精确测量。如果探测器太薄了如果探测器太薄了如果探测器太薄了如果探测器太薄了,虽然散射次数减少虽然散射次数减少虽然散射次数减少虽然散射次数减少,偏转角度小了偏转角度小了偏转角度小了偏转角度小了,但探测但探测但探测但探测效率降低了，能量分辨也差了。效率降低了，能量分辨也差了。效率降低了，能量分辨也差了。效率降低了，能量分辨也差了。因此因此因此因此,一定要根据被探测粒子的能量及实验对散射偏转角度的一定要根据被探测粒子的能量及实验对散射偏转角度的一定要根据被探测粒子的能量及实验对散射偏转角度的一定要根据被探测粒子的能量及实验对散射偏转角度的要求要求要求要求,恰当的选择探测器厚度。恰当的选择探测器厚度。恰当的选择探测器厚度。恰当的选择探测器厚度。n n读出方式读出方式读出方式读出方式 直流耦合直流耦合直流耦合直流耦合DCDC：铝电极与独立的扩：铝电极与独立的扩：铝电极与独立的扩：铝电极与独立的扩散层直接接触散层直接接触散层直接接触散层直接接触 交流耦合交流耦合交流耦合交流耦合ACAC：铝电极与每个扩散：铝电极与每个扩散：铝电极与每个扩散：铝电极与每个扩散层以电容耦合方式接触。层以电容耦合方式接触。层以电容耦合方式接触。层以电容耦合方式接触。ACAC读出读出读出读出的优点是每个二极管的漏电流不会的优点是每个二极管的漏电流不会的优点是每个二极管的漏电流不会的优点是每个二极管的漏电流不会流到读出电极上，因而噪声小。不流到读出电极上，因而噪声小。不流到读出电极上，因而噪声小。不流到读出电极上，因而噪声小。不过偏压加载要有特殊方式过偏压加载要有特殊方式过偏压加载要有特殊方式过偏压加载要有特殊方式 n n单条读出与双条读出单条读出与双条读出单条读出与双条读出单条读出与双条读出 单条读出：单条读出：单条读出：单条读出：条宽条宽条宽条宽/1212 双条读出位置分辨好。双条读出位置分辨好。双条读出位置分辨好。双条读出位置分辨好。SMDSMD漂移快，扩散小，电荷分漂移快，扩散小，电荷分漂移快，扩散小，电荷分漂移快，扩散小，电荷分布窄，布窄，布窄，布窄，1010 mm 偏压太低时，非耗尽层厚，信偏压太低时，非耗尽层厚，信偏压太低时，非耗尽层厚，信偏压太低时，非耗尽层厚，信噪比差，分辨低；太高时，不噪比差，分辨低；太高时，不噪比差，分辨低；太高时，不噪比差，分辨低；太高时，不再改善电荷收集，但减少了扩再改善电荷收集，但减少了扩再改善电荷收集，但减少了扩再改善电荷收集，但减少了扩散，单条事例增多，位置分辨散，单条事例增多，位置分辨散，单条事例增多，位置分辨散，单条事例增多，位置分辨也变差也变差也变差也变差n n逐条读出需太多电子逐条读出需太多电子逐条读出需太多电子逐条读出需太多电子学学学学n n可采用隔几条读出的可采用隔几条读出的可采用隔几条读出的可采用隔几条读出的方式（电容耦合），方式（电容耦合），方式（电容耦合），方式（电容耦合），用重心法也可得到很用重心法也可得到很用重心法也可得到很用重心法也可得到很好的位置分辨好的位置分辨好的位置分辨好的位置分辨n n硅微条探测器的一些技术硅微条探测器的一些技术硅微条探测器的一些技术硅微条探测器的一些技术指标指标指标指标 以以以以LEPLEP上的探测器为例，应要求上的探测器为例，应要求上的探测器为例，应要求上的探测器为例，应要求不同，它们的性能指标并不是最高不同，它们的性能指标并不是最高不同，它们的性能指标并不是最高不同，它们的性能指标并不是最高的，但性能比气体探测器还是好得的，但性能比气体探测器还是好得的，但性能比气体探测器还是好得的，但性能比气体探测器还是好得多。多。多。多。n n探测器技术及半导体各种技术工艺和光刻技术的探测器技术及半导体各种技术工艺和光刻技术的探测器技术及半导体各种技术工艺和光刻技术的探测器技术及半导体各种技术工艺和光刻技术的发展发展发展发展,硅微条及一些相关的半导体探测器都得到硅微条及一些相关的半导体探测器都得到硅微条及一些相关的半导体探测器都得到硅微条及一些相关的半导体探测器都得到了快速的发展和应用。如双边读出的硅微条探测了快速的发展和应用。如双边读出的硅微条探测了快速的发展和应用。如双边读出的硅微条探测了快速的发展和应用。如双边读出的硅微条探测器、像素探测器、硅漂移室、器、像素探测器、硅漂移室、器、像素探测器、硅漂移室、器、像素探测器、硅漂移室、CCDCCD、硅片探测器。、硅片探测器。、硅片探测器。、硅片探测器。5-3 半导体探测器的发展半导体探测器的发展1.双边读出的硅微条探测器双边读出的硅微条探测器n n双边读出的硅微条探测器也是基于双边读出的硅微条探测器也是基于双边读出的硅微条探测器也是基于双边读出的硅微条探测器也是基于pnpn结的工作原理结的工作原理结的工作原理结的工作原理,在一片在一片在一片在一片n n型硅片型硅片型硅片型硅片的两面的两面的两面的两面,通过先进的技术工艺通过先进的技术工艺通过先进的技术工艺通过先进的技术工艺,分别制成重搀杂分别制成重搀杂分别制成重搀杂分别制成重搀杂p p+型和型和型和型和n n+型微条。有型微条。有型微条。有型微条。有p p+型和型和型和型和n n+型上下两层读出条型上下两层读出条型上下两层读出条