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半导体探测器第1页，本讲稿共48页 半半导导体体探探测测器器的的基基本本原原理理是是带带电电粒粒子子在在半半导导体体探探测测器器的的灵灵敏敏体体积积内内产产生生电电子子空空穴穴对对，电电子子空空穴对在外电场的作用下穴对在外电场的作用下漂移漂移而输出信号。而输出信号。我我们们把把气气气气体体体体探探探探测测测测器器器器中中的的电电子子离离子子对对、闪闪烁烁探探测测器器中中被被 PMT第第一一打打拿拿极极收收集集的的电电子子 及及半半半半导导导导体体体体探探探探测测测测器器器器中中的的电电电电子子子子空空空空穴穴穴穴对对对对统统称称为为探探测测器器的的信信息息载载流流子子。产产生生每每个个信信息息载载流流子子的的平平均均能能量量分分别别为为30eV30eV(气气体体探探测测器器)，300eV(闪烁探测器闪烁探测器)和和3eV(半导体探测器半导体探测器半导体探测器半导体探测器)。第2页，本讲稿共48页半导体探测器半导体探测器的特点：的特点：(1)能量分辨率最佳能量分辨率最佳；(2)射线探测效率较高射线探测效率较高，可与闪烁探测器，可与闪烁探测器相比。相比。常用半导体探测器有：(1)P-N结型结型半导体探测器；半导体探测器；(2)锂漂移型锂漂移型半导体探测器；半导体探测器；(3)高纯锗高纯锗半导体探测器；半导体探测器；第3页，本讲稿共48页10.1 半导体的基本性质半导体的基本性质1、本征半导体和杂质半导体1)1)本征本征半导体半导体半导体半导体：由于热运动而产生的由于热运动而产生的载流子浓度载流子浓度载流子浓度载流子浓度称为称为本征载流子浓度本征载流子浓度本征载流子浓度本征载流子浓度，且且导带中的导带中的电子数电子数电子数电子数和价带中的和价带中的空穴数空穴数空穴数空穴数严格相等严格相等严格相等严格相等。常用半导体材料为硅(Si)和锗(Ge)，均为IV族元素.理想、无杂质的半导体.固体物理理论已证明半导体内的固体物理理论已证明半导体内的载流子平衡载流子平衡浓度浓度为为：ni和和pi为为单单位位体体积积中中的的电电子子和和空空空空穴穴穴穴的的数数目目，下下标标“i”表表示示本本征征(Intrinsic)材材料料。T为为材材料料的的绝绝对温度，对温度，EG为能级的禁带宽度。为能级的禁带宽度。第4页，本讲稿共48页2)2)杂质杂质半导体半导体杂质类型：替位型，间隙型。(1)替位型：III族元素，如B，Al，Ga等；V族元素，如P，As，Sb等(2)间隙型：Li，可在晶格间运动。3)3)施主施主杂质杂质(Donor impurities)与与施主施主能级能级 施施主主杂杂质质为为V V族族族族元元素素，其其电电离离电电位位E ED D很很低低，施施主主杂杂质质的的能能级级一一定定接接近近禁禁带带顶顶部部(即即导导带带底底部部)。在在室室温温下下，这这些些杂杂质质原原子子几几乎乎全全部部电电离离。由由于于杂杂质质浓浓度度远远大大于于本本征征半半导导体体导导带带中中的的电电子子浓浓度度，多多多多数数数数载载载载流流流流子子子子为为电电电电子子子子，杂杂质质原原子子成成为为正正电中心电中心。掺有。掺有施主杂质施主杂质的半导体称为的半导体称为N N 型半导体型半导体。电子浓度电子浓度：施主杂质浓度第5页，本讲稿共48页4)4)受主受主杂质杂质(Acceptor impurities)与与受主受主能级能级 受主杂质受主杂质为为III族族元素，其元素，其电离电位电离电位EA很低很低，受主杂质的受主杂质的能级能级一定很一定很接近接近禁禁带底部带底部(即价带顶部即价带顶部)，室温下价带中电，室温下价带中电子容易跃迁这些能级上；在价带中出现子容易跃迁这些能级上；在价带中出现空穴。所以，此时空穴。所以，此时多数载流子多数载流子为为空穴空穴，杂质原子成为杂质原子成为负电中心负电中心。掺有。掺有受主杂质受主杂质的半导体称为的半导体称为P 型半导体型半导体。空穴浓度空穴浓度：受主杂质浓度第6页，本讲稿共48页Doping with valence 5 atomsDoping with valence 3 atomsN-type semiconductorP-type semiconductor第7页，本讲稿共48页2、载流子浓度和补偿效应1)载流子浓度空穴浓度：电子浓度：式中，E1为导带底；E2为价带顶。Cn和Cp为与禁带内能级分布无关的常数。所以：可见，对半导体材料，在一定温度下，可见，对半导体材料，在一定温度下，np仅与禁带宽仅与禁带宽度有关度有关。因此，在。因此，在相同温度下相同温度下，本征半导体本征半导体的相等的的相等的两种载流两种载流子密度之积子密度之积与与掺杂半导体掺杂半导体的的两种载流子密度之积两种载流子密度之积相等，即：相等，即：第8页，本讲稿共48页2)补偿效应 对对N型型半半导导体体：n p，可可以以加加入入受受主主杂杂质质，使使之之成成为为本本征征半半导导体体，此此时时n=p=ni，也也称称为为“准准本本征征半半导导体体”；进进一一步步加加入入受受主主杂杂质质，可可变变为为P型型半半导导体体，即即p n。但但其其代价为代价为载流子的寿命将大大缩短载流子的寿命将大大缩短。对本征半导体：对杂质半导体：，但仍满足当 n=p 时，载流子总数 取最小值。第9页，本讲稿共48页3、半导体作为探测介质的物理性能1)平均电离能（w）SiGe300K3.62eV 77K3.76eV2.96eV 入射粒子在半导体介质中平均产生一对电子空穴需要的能量。半导体中的平均电离能与入射粒子能量无关。在半导体中消耗能量为E时，产生的载流子数目N为：第10页，本讲稿共48页2)载流子的漂移 由于 电子迁移率n 和 空穴迁移率p 相近，与气体探测器不同，不存在电子型或空穴型半导体探测器。对N型半导体，电子的漂移速度为对P型半导体，空穴的漂移速度为 电场较高时，漂移速度随电场的增加较慢，最后达到载流子的饱和速度107cm/s。第11页，本讲稿共48页3)电阻率与载流子寿命半导体电阻率：本征电阻率：掺杂将大大降低半导体的电阻率，对硅来说掺杂对电阻率的影响比锗显著得多。当半导体材料被冷却到液氮温度时将大大提高电阻率。载流子寿命载流子寿命-载流子在俘获以前，可在晶体中自由运载流子在俘获以前，可在晶体中自由运动的时间。只有当漂移长度动的时间。只有当漂移长度 大于灵敏体积的大于灵敏体积的长度才能保证载流子的有效收集。对高纯度的长度才能保证载流子的有效收集。对高纯度的Si和和Ge 10-3s，决定了，决定了Si和和Ge为最实用的半导体材料。为最实用的半导体材料。高的电阻率高的电阻率和和长的载流子寿命长的载流子寿命是组成半是组成半导体探测器的关键。导体探测器的关键。第12页，本讲稿共48页10.2 P-N结半导体探测器结半导体探测器1、P-N结半导体探测器的工作原理1)P-N结区(势垒区)的形成 (1)多多数数载载流流子子扩扩散散，空空间间电电荷荷形形成成内内电电场场并并形形成成结结区区。结结区区内内存存在在着着势势垒垒，结结区区又又称称为为势势垒垒区区。势势垒垒区区内内为为耗耗尽尽层层，无无载载流流子子存存在在，实实现现高高电电阻阻率率，达达 ，远高于本征电阻率远高于本征电阻率。第13页，本讲稿共48页(2)P-N结内的电流 If 能量较高的能量较高的多子穿透多子穿透内内电场，方向为电场，方向为逆逆内电场方向内电场方向；IG 在结区内由于在结区内由于热运动产生热运动产生的电子空穴对；的电子空穴对；IS S 少子扩散少子扩散到结区。到结区。IG，IS的方向为顺内电场方向。IfIG,IS平衡状态时：第14页，本讲稿共48页(3)外加电场下的P-N结：即即在在使使结结区区变变宽宽的的同同时时，IG 增增加加,IS不不变变，If减减小小，并并出现出现IL，此时表现的宏观电流称为，此时表现的宏观电流称为暗电流暗电流。在外加反向电压时的反向电流：少子的扩散电流，结区面积不变，IS 不变；结区体积加大，热运动产生电子空穴多，IG 增大；反向电压产生漏电流 IL，主要是表面漏电流。在P-N结上加反向电压，由于结区电阻率很高，电位差几乎都降在结区。反向电压形成的电场与内电场方向一致。外加电场使结区宽度增大。反向电压越高，结区越宽。第15页，本讲稿共48页2)P-N结半导体探测器的特点(1)结区的空间电荷分布，电场分布及电位分布P-N结结内内N区区和和P区区的的电荷密度电荷密度分别为：分别为：式式中中ND和和NA分分别别代代表表施施主主杂杂质质和和受受主主杂杂质质浓浓度度；a,b则则代代表表空空间间电电荷荷的的厚厚度度。一一般般a,b不不一一定定相相等等，取取决决于于两两边边的杂质浓度，的杂质浓度，耗尽状态下耗尽状态下结区总电荷为零，结区总电荷为零，结区总电荷为零，结区总电荷为零，即即即即N ND D a aN NA A b b。n-typep-type-+第16页，本讲稿共48页电场为非均匀电场：电位分布可由电场积分得到：第17页，本讲稿共48页(2)结区宽度与外加电压的关系当x=0时，P区和N区的电位应相等，即又因：所以：耗尽区的总宽度耗尽区的总宽度：当NDNA时，ba。则当NAND时，ab。则一般可写成：Ni为掺杂少的一边的杂质浓度。第18页，本讲稿共48页(3)结区宽度的限制因素受材料的受材料的击穿电压击穿电压的限制：的限制：受受暗电流暗电流的限制，因为：的限制，因为：(4)结电容随工作电压的变化 根据结区电荷随外加电压的变化率，可以计算得到结区电容：结区电容随外加电压变化而变化，外加电压的不稳定可以影响探测器输出电压幅度的不稳定。即：第19页，本讲稿共48页2、P-N结半导体探测器的类型1)扩散结(Diffused Junction)型探测器采用采用扩散工艺扩散工艺高温扩散高温扩散或或离子注入离子注入；材料材料一般选用一般选用P P型高阻硅型高阻硅，电阻率为电阻率为10001000；在电极在电极引出时一定要保证为引出时一定要保证为欧姆接触，欧姆接触，以防止形成另外以防止形成另外的结。的结。2)金硅面垒(Surface Barrier)探测器一般用一般用N N型高阻硅型高阻硅，表面蒸金表面蒸金50100 g/cm2 氧化氧化形成形成P P型硅型硅，而形成，而形成P-N结。工艺成熟、简单、价结。工艺成熟、简单、价廉。廉。第20页，本讲稿共48页3、半导体探测器的输出信号1)输出回路 须考虑结电阻Rd和结电容Cd，结区外半导体材料的电阻和电容RS，CS。测量仪器第21页，本讲稿共48页第22页，本讲稿共48页2)输出信号 当当 R0(Cd+Ca)tc(tc为载流子收集时间为载流子收集时间)时，为时，为电压脉冲型工作状态电压脉冲型工作状态：辐射在灵敏体积内产生的电子空穴对数脉冲后沿以时间常数R0(Cd+Ca)指数规律下降。脉冲前沿从粒子入射至全部载流子被收集(tc)。第23页，本讲稿共48页但是，由于输出电压脉冲幅度h与结电容Cd有关，而结电容 随偏压而变化，因此当所加偏压不稳定时，将会使 h 发生附加的涨落，不利于能谱的测量；为解决该矛盾，PN结半导体探测器通常不用电压型或电流型前置放大器，而是采用电荷灵敏前置放大器。电荷灵敏放大器的输入电容极大，可以保证 C入 Cd，而 C入是十分稳定的，从而大大减小了Cd变化的影响。若反馈电容和反馈电阻为Cf和Rf，则输出脉冲幅度为：输出回路的时间常数为：第24页，本讲稿共48页3)载流子收集时间 由于在边界，电场强度趋于0，定义载流子扫过 x0.99W 的距离的时间为载流子收集时间：可以获得快的上升时间。第25页，本讲稿共48页4、主要性能 主要用于测量重带电粒子的能谱，如,p等，一般要求耗尽层厚度大于入射粒子的射程。1)能量分辨率影响能量分辨率的因素为：(1)输出脉冲幅度的统计涨落 式式中中：F为为法法诺诺因因子子，对对Si，F=0.143；对对Ge，F=0.129。w为为产产生生一一个个电电子子空空穴穴对对所所需需要要的的平平均均能量。能量。第26页，本讲稿共48页能量分辨率可用FWHM表示：FWHM 或或 E 称为称为半高宽半高宽或或线宽线宽，单位为：，单位为：KeV。以210Po的 E5.304MeV 的粒子为例，对一种PN结探测器，由于输出脉冲幅度的统计涨落引起的线宽为：第27页，本讲稿共48页(2)探测器和电子学噪声 探测器的噪声由P-N结反向电流及表面漏电流的涨落造成；电子学噪声主要由第一级FET构成，包括：零电容噪声和噪声斜率。噪声的表示方法：等效噪声电荷ENC，即放大器输出噪声电压的均方根值等效于放大器输入端的噪声电荷，以电子电荷为单位；由于噪声叠加在射线产生的信号上，使谱线进一步加宽，参照产生信号的射线的能量，用FWHM表示，其单位就是KeV。例如，ENC200电子对，由噪声引起的线宽为：第28页，本讲稿共48页(3)窗厚度的影响式中 为单位窗厚度引起的能量损失。得到总线宽为：例如：则：第29页，本讲稿共48页2）分辨时间与时间分辨本领：3）能量线性很好，与入射粒子类型和能量基本无关4）辐照寿命 辐照寿命是半导体探测器的一个致命的弱点。半导体探测器随着使用时间的增加，造成载流子寿命变短，影响载流子的收集。例如，对5.5MeV的粒子，当达到109cm-2时，分辨率开始变坏，达到1011cm-2时明显变坏。第30页，本讲稿共48页5、应用1）重带电粒子能谱测量2）dE/dx 探测器 dE/dx探测器工作于全耗尽型或过耗尽型状态，可用于粒子鉴别。dE/dx探测器的输出信号为X，能量探测器的输出信号为Y，其乘积 XYmZ2 而得到粒子谱。第31页，本讲稿共48页 由于一般半导体材料的杂质浓度和外加高压的限制，耗尽层厚度为12mm。对强穿透能力的辐射而言，探测效率受很大的局限。P-N结半导体探测器存在的矛盾：第32页，本讲稿共48页10.3 锂漂移半导体探测器锂漂移半导体探测器1.1.1.1.锂的漂移特性及锂的漂移特性及锂的漂移特性及锂的漂移特性及P-I-NP-I-N结结结结1)间隙型杂质间隙型杂质LiLi为施主杂质，电离能很小 0.033eVLi漂移速度当温度T 增大时，(T)增大，Li+漂移速度增大。第33页，本讲稿共48页2)P-I-N结的形成 基体用P型半导体(因为极高纯度的材料多是P型的)，例如掺硼的Si或Ge单晶。(1)一端表面蒸Li，Li离子化为Li+,形成PN结。(2)另一端表面蒸金属，引出电极。外加电场，使外加电场，使Li+漂移。漂移。Li+与受主杂质与受主杂质(如如Ga-)中和，并可实现中和，并可实现自动补自动补偿偿形成形成 I I 区区区区。(3)形成形成P-I-NP-I-N结，未漂移补偿区仍为结，未漂移补偿区仍为P，引出电极。，引出电极。PN+Intrinsic SemiFront metallizationOhmic back contactTo positive bias voltage 由硅作为基体的探测器称为Si(Li)探测器，由锗作为基体的探测器称为Ge(Li)探测器。锂离子是用于漂移成探测器的唯一的离子。第34页，本讲稿共48页2.2.2.2.锂漂移探测器的工作原理锂漂移探测器的工作原理锂漂移探测器的工作原理锂漂移探测器的工作原理1)空间电荷分布、电场分布及电位分布I区为完全补偿区，呈电中性为均匀电场；I区为耗尽层，电阻率可达1010cm；I区厚度可达1020mm，为灵敏体积。杂质浓度电荷分布电位电场第35页，本讲稿共48页2)工作条件 为了为了降低降低探测器本身的探测器本身的噪声噪声和和FET的的噪声噪声，同时为降低探，同时为降低探测器的表面漏电流，锂漂移探测器和场效应管测器的表面漏电流，锂漂移探测器和场效应管FET都置于都置于真空真空真空真空低温低温低温低温的容器内，的容器内，工作于液氮温度工作于液氮温度(77K)。对对Ge(Li)探探测测器器，由由于于锂锂在在锗锗中中的的迁迁移移率率较较高高，须须须须保保保保持持持持在在在在低低低低温温温温下下下下，以以防防止止Li+Ga-离离子子对对 离离解解，使使Li+沉沉积积而而破破坏坏原原来来的的补补偿偿；对对Si(Li)探探测测器器，由由于于锂锂在在硅硅中中的的迁迁移移率率较较低低，在在常温下保存常温下保存而无永久性的损伤。而无永久性的损伤。3)由于PIN探测器能量分辨率的大大提高，开创了谱学的新阶段。Li漂移探测器的问题：低温下保存代价很高；漂移的生产周期很长，约3060天。第36页，本讲稿共48页10.4 高纯锗高纯锗(HPGe)半导体探测器半导体探测器由耗尽层厚度的公式：降低杂质的浓度Ni可提高耗尽层的厚度。高纯锗半导体探测器是由极高纯度的高纯锗半导体探测器是由极高纯度的Ge单晶制成的单晶制成的 P-N结结 半导体探测器。杂质浓度为半导体探测器。杂质浓度为1010原子原子/cm3。一般半导体材料杂质浓度为1015原子/cm3。第37页，本讲稿共48页1.1.1.1.高纯锗探测器的工作原理高纯锗探测器的工作原理高纯锗探测器的工作原理高纯锗探测器的工作原理1)P-N结的构成 采采用用高高纯纯度度的的 P型型Ge单单晶晶，一一端端表表面面通通过过蒸蒸发发扩扩散散或或加加速速器器离离子子注注入入施施主主杂杂质质(如如磷磷或或锂锂)形形成成 N区区 和和 N+，并并形形成成P-N结结。另另一一端端蒸蒸金金属属形形成成 P+，并并作作为入射窗。两端引出电极。为入射窗。两端引出电极。因为因为杂质浓度极低杂质浓度极低，相应的，相应的电阻率很电阻率很高高。空间电荷密度很小空间电荷密度很小，P区的区的耗尽层厚耗尽层厚度大度大。第38页，本讲稿共48页2)空间电荷分布、电场分布及电位分布电荷分布电位电场第39页，本讲稿共48页2.2.2.2.高纯锗探测器的特点高纯锗探测器的特点高纯锗探测器的特点高纯锗探测器的特点1)P区区存在空间电荷，存在空间电荷，HPGe半导体探测半导体探测器是器是PN结结型探测器。型探测器。2)P区区为为非均匀电场非均匀电场。3)P区区为为灵敏体积灵敏体积，其厚度与外加电压，其厚度与外加电压有关，一般工作于有关，一般工作于全耗尽状态全耗尽状态。4)HPGe半导体探测器可在半导体探测器可在常温下保存常温下保存，低温下工作低温下工作。第40页，本讲稿共48页10.5 锂漂移和锂漂移和HPGe半导体探测器的性能与应用半导体探测器的性能与应用1.1.1.1.结构结构结构结构平面型：体积较小，厚度一般小于2.0cm，常用于低能或X射线的探测。同轴型：体积较大，用于射线的探测。对两种不同的结构形式，由于空间电荷的作用，灵敏体积内的电场分布是不同的。2.2.2.2.输出信号输出信号输出信号输出信号 与电离室相似，载流子漂移速度快，载流子收集时间就短，与电离室相似，载流子漂移速度快，载流子收集时间就短，可以获得快上升时间的输出电压脉冲。其可以获得快上升时间的输出电压脉冲。其上升时间与入射粒子上升时间与入射粒子的位置有关的位置有关，是，是变前沿变前沿变前沿变前沿的输出电压脉冲。的输出电压脉冲。对平面型和同轴型的本征电流在电容上积分得到的输出信号的形状可以定量描述。第41页，本讲稿共48页对平面型探测器:对同轴型探测器:第42页，本讲稿共48页3.3.3.3.性能性能性能性能其中：Si(Li)和Ge(Li)平面型探测器用于低能(X)射线的探测，其能量分辨率常以55Fe的衰变产物55Mn的KX能量5.95KeV为标准，一般指标约：1)能量分辨率：为载流子数的涨落。为漏电流和噪声；为载流子由于陷阱效应带来的涨落，通过适当提高偏置电压减小。HPGe，Ge(Li)同轴型探测器用于射线探测，常以60Co能量为1.332MeV的射线为标准，一般指标约：第43页，本讲稿共48页2)探测效率一般以一般以 3英寸英寸3英寸英寸的的NaI(Tl)晶体为晶体为100，用，用相对效率相对效率来表示。来表示。以85cm3的HPGe为例，探测效率为19。3)峰康比P=全能峰峰值/康普顿平台的峰值与FWHM以及体积有关，可达6008004)能量线性：非常好5)时间特性：电流脉冲宽度可达10-910-8s.第44页，本讲稿共48页1)HPGe和Ge(Li)用于组成谱仪：锗具有较高的密度和较高的原子序数(Z=32)探头(晶体前置放大器低温装置)；4.4.4.4.应用应用应用应用谱放大器(稳定性，抗过载，极零调节，基线恢复等);谱仪的组成：多道脉冲幅度分析器(一般大于4000道，现在一般都带有数字稳谱功能)；计算机(谱解析软件及定量分析软件)。谱仪的应用：活化分析；X射线荧光分析；核物理研究等。第45页，本讲稿共48页2)Si(Li)探测器 由于Si的Z14，对一般能量的射线，其光电截面仅为锗的1/50，因此，其主要应用为：低能量的射线和X射线测量，在可得到较高的光电截面的同时，Si的X射线逃逸将明显低于锗的X射线逃逸；粒子或其他外部入射的电子的探测，由于其原子序数较低，可减少反散射。第46页，本讲稿共48页10.6 其他半导体探测器其他半导体探测器1.1.1.1.化合物半导体探测器化合物半导体探测器化合物半导体探测器化合物半导体探测器这些材料的探测器均可在常温下使用。大小CdTe501.47eV 4.43eV 650eVHgI2622.136.50500GaAs321.434.20第47页，本讲稿共48页2.2.2.2.雪崩型半导体探测器雪崩型半导体探测器雪崩型半导体探测器雪崩型半导体探测器内放大及结构特点，内放大及结构特点，E2104V/cm，改善信噪比。，改善信噪比。用于生物、医学领域，体内测量软X射线。3.3.3.3.位置灵敏半导体探测器位置灵敏半导体探测器位置灵敏半导体探测器位置灵敏半导体探测器硅微条位置灵敏探测器(SMD)，条距为20m，工作于全耗尽状态。位置分辨率可达23 m。第48页，本讲稿共48页