1、1Semiconductor Detector2的的基本原理基本原理是带电粒子在半导是带电粒子在半导体探测器的灵敏体积内产生体探测器的灵敏体积内产生，电子，电子空穴对在外电场的作用下空穴对在外电场的作用下而输出信号。而输出信号。我们把我们把中的中的、中被中被及及中的中的统称为统称为。产生每个信息载流子的平均能量分别为。产生每个信息载流子的平均能量分别为()，()和和()。3的特点：的特点：(1)；(2)，可与闪烁探测器，可与闪烁探测器相比。相比。常用半导体探测器常用半导体探测器有：有：(1)半导体探测器；半导体探测器；(2)半导体探测器；半导体探测器；(3)半导体探测器；半导体探测器；46.1
2、 6.1.1、本征半导体和杂质半导体本征半导体和杂质半导体1)1)：由于热运动而产生的由于热运动而产生的称为称为且导带中的且导带中的和价带中的和价带中的 常用半导体材料为常用半导体材料为硅硅(Si)和和锗锗(Ge)，均为，均为IV族元素族元素.理想、无杂质的半导体理想、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为为/21910GEkTiinpe 和和 为为单位体积单位体积中的中的和和的数目，的数目，下标下标“i”表示表示。T为材料的为材料的绝对温度，绝对温度，EG为能级的禁带宽度。为能级的禁带宽度。52)2)杂质类型：杂质类型：间隙型间隙型，替位型替位型。(2)替
3、位型替位型：III族元素族元素，如，如B，Al，Ga等；等；V族元素族元素，如，如P，As，Sb等；等；(1)间隙型间隙型：Li，可在晶格间运动。，可在晶格间运动。63)3)施主杂质施主杂质为为元素，其元素，其电离电位电离电位很低很低，施施主杂质的主杂质的能级能级很很接近接近禁带顶部禁带顶部(即导带底部即导带底部)。在室。在室温下，这些杂质原子几乎全部电离。由于温下，这些杂质原子几乎全部电离。由于杂质浓度杂质浓度远大于远大于本征半导体导带中的电子浓度本征半导体导带中的电子浓度，为为，杂质原子成为，杂质原子成为正电中心正电中心。掺有。掺有施主杂质施主杂质的的半导体称为半导体称为。：DNn 施主杂
4、质浓度施主杂质浓度 电离时能够电离时能够施放电子施放电子而而产生导电电子产生导电电子并并形成正形成正电中心电中心的杂质；的杂质；74)4)受主杂质受主杂质为为元素，其元素，其电离电位电离电位很低很低，受受主杂质的主杂质的能级能级一定很一定很接近接近禁带底部禁带底部(即价带顶部即价带顶部)，室温下价带中电子容易跃迁到这些能级上，在价带室温下价带中电子容易跃迁到这些能级上，在价带中出现空穴。所以，此时中出现空穴。所以，此时为为，杂质，杂质原子成为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。：ANp 受主杂质浓度受主杂质浓度 能够能够接受电子接受电子而而产生导电空穴
5、产生导电空穴并并形成负电中心形成负电中心的杂质；的杂质；8Doping with valence 5 atomsDoping with valence 3 atomsN-type semiconductorP-type semiconductor96.2.1、P-N结半导体探测器的工作原理结半导体探测器的工作原理1)P-N结区结区(势垒区势垒区)的形成的形成 (1)多数载流子扩多数载流子扩散，散，空间电荷空间电荷形成形成内内电场电场并形成并形成。结结区内存在着势垒区内存在着势垒，结，结区又称为区又称为。势。势垒区内为垒区内为，实现，实现，达，达 ，远高于本征电阻率远高于本征电阻率。cm 101
6、010(2)P-N结的漏电流结的漏电流 SGfIII 能量较高的能量较高的多子穿透多子穿透内电场，方向为内电场，方向为逆逆内电场内电场方向方向；在结区内由于在结区内由于热运动产热运动产生生的电子空穴对；的电子空穴对；少子扩散少子扩散到结区。到结区。IG，IS的方向为的方向为顺顺内电场方向内电场方向。EPNIfIG,ISGIg d e 平衡状态时：平衡状态时：11(3)外加电场下的外加电场下的P-N结：结：在在P-N结上加结上加反向电压反向电压，由于结区电阻率很，由于结区电阻率很高，电位差几乎都降在结区。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。反向电压形成的电场与内电场方向
7、一致。外加电场使结区宽度增大。反向电压越高，外加电场使结区宽度增大。反向电压越高，结区越宽。结区越宽。IfIG,ISEPN-+12 即即:在使在使结区变宽结区变宽的同时，的同时，,IS不变，不变，If减减小，并出现小，并出现IL，此时表现的宏观电流称为，此时表现的宏观电流称为。在外加反向电压时的在外加反向电压时的反向电流：反向电流：少子的扩散电流，结区面积不变，少子的扩散电流，结区面积不变，IS 不变不变；结区体积加大，热运动产生电子空穴多，结区体积加大，热运动产生电子空穴多，IG 增大增大；反向电压产生反向电压产生漏电流漏电流 IL，主要是表面漏电流。，主要是表面漏电流。IfIG,ISEPN
8、-+132)P-N结半导体探测器的特点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结区的空间电荷分布，电场分布及电位分布P-N结结内内和和的的分别为：分别为：式中式中ND和和NA分别代表分别代表施主杂质施主杂质和和受主杂质受主杂质浓度；浓度；a,b则代表空间电荷的厚度。一般则代表空间电荷的厚度。一般a,b不一定相等，取不一定相等，取决于两边的杂质浓度，决于两边的杂质浓度，耗尽状态下耗尽状态下。)0()0()(bxxaeNeNxAD PNn-typep-type-+ab014()()DeNE xxa (-ax0)0(bx ()()AeNE xbx 电场为电场为非均匀电场：非
9、均匀电场：电位分布电位分布可由电场积分得到可由电场积分得到：2D2AeN(x)=-(x+a)+-a-a x 02eN(x)=(x-b)+b0NA时，时，ba。则。则db当当NAND时，时，ab。则。则da一般可写成：一般可写成：1/200i2Vd=VeNNi为为掺杂少掺杂少的一边的的一边的杂质浓度杂质浓度。00AD2V2V(a+b)b=(a+b)a=eNeNbNaNAD 17(3)结区宽度结区宽度的限制因素的限制因素受材料的受材料的的限制：的限制：受受的限制，因为：的限制，因为：GId0dV1/200i2Vd=VeN18(4)结电容结电容随随工作电压工作电压的变化的变化 以以N N型硅为基体的
10、情况为例，设结区截面为型硅为基体的情况为例，设结区截面为S S，宽度为宽度为a a，则结区内一种符号的空间电荷为：，则结区内一种符号的空间电荷为：即：即：1202DdeNdQCSdVV 12102022DDDDDQS aS a eNVS eNSV eNeN 19d011CdV 结区电容随外加电压变化而变化，外加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电压的不稳定可以影响探测器输出电压幅度的不稳定。的不稳定。即：即：1202DdeNdQCSdVV 206.2.2、P-N结半导体探测器的类型结半导体探测器的类型1)1)金硅面垒金硅面垒(Surface Barrier
11、)探测器探测器 一般用一般用N N，表面蒸金，表面蒸金50100 g/cm2(10(10 m左右）左右）氧化形成氧化形成P P型硅型硅，而，而形成形成P-N结。结。工艺成熟、简单、价廉。工艺成熟、简单、价廉。对光灵敏，探测带电粒子时探测器必须在对光灵敏，探测带电粒子时探测器必须在真空密封条件下；窗薄，不能用手摸镀金面。真空密封条件下；窗薄，不能用手摸镀金面。212)2)扩散结扩散结(Diffused Junction)型探测器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；材料一般选用材料一般选用；在电极引出时一在电极引出时一定要保证为定要保证为欧姆接触，欧姆接触，以防止
12、形成另外的以防止形成另外的结。结。室温下测室温下测射线射线和和X射线射线。226.2.4、主要性能、主要性能 主要用于测量主要用于测量重带电粒子重带电粒子的的能谱能谱，如，如,p等，等，一般要求一般要求耗尽层厚度耗尽层厚度大于大于入射粒子的射程入射粒子的射程。1)1)能量分辨率能量分辨率影响能量分辨率的因素影响能量分辨率的因素为：为：(1)输出输出脉冲幅度的统计涨落脉冲幅度的统计涨落EwFvEEN 36.236.2 式中：式中：F为法诺因子，对为法诺因子，对Si，F=0.143；对；对Ge，F=0.129。w为产生一个为产生一个电子电子空穴空穴对所对所需要的平均能量。需要的平均能量。23能量分
13、辨率可用能量分辨率可用FWHM表示：表示：EwFEEFWHM 36.2 FWHM 或或 E 称为称为或或线宽线宽，单，单位为：位为：。12.364.08EF w EKeV以以210Po的的 E5.305MeV 的的 粒子为例，粒子为例，对一种对一种PN结探测器，由于输出脉冲幅度结探测器，由于输出脉冲幅度的的统计涨落统计涨落引起的线宽为：引起的线宽为：24(2)探测器和电子学噪声探测器和电子学噪声 探测器的噪声探测器的噪声由由P-N结反向电流结反向电流及及表面漏电表面漏电流流的的涨落涨落造成；造成；电子学噪声电子学噪声主要由第一级主要由第一级FET构成，包括：构成，包括：零电容噪声零电容噪声和和
14、噪声斜率噪声斜率。噪声的表示方法噪声的表示方法：等效噪声电荷等效噪声电荷ENC，即放，即放大器输出端的噪声的均方根值等效于放大器输大器输出端的噪声的均方根值等效于放大器输入端的噪声电荷，以入端的噪声电荷，以电子电荷电子电荷为单位；由于噪为单位；由于噪声声叠加叠加在射线产生的信号上，使在射线产生的信号上，使谱线进一步谱线进一步加加宽宽，参照产生信号的射线的能量，用，参照产生信号的射线的能量，用FWHM表表示，其单位就是示，其单位就是KeV。例如，。例如，ENC200电子对，电子对，由噪声引起的线宽为：由噪声引起的线宽为：KeVwENCFWHME64.1)(36.2)(22 25(3)窗厚度的影响
15、窗厚度的影响)()(033ddFWHME 式中式中 为为单位窗厚度引起的能量损失单位窗厚度引起的能量损失。0d d 得到得到总线宽总线宽为：为：232221EEEE KeVE51.4 例如：例如：KeVE08.41 KeVE64.12 KeVE0.13 则：则：262）分辨时间分辨时间与与时间分辨本领时间分辨本领：s891010 3）辐照损伤辐照损伤 辐照损伤是半导体探测器的一个致命辐照损伤是半导体探测器的一个致命的的弱点弱点。半导体探测器随着使用时间的。半导体探测器随着使用时间的增加，造成增加，造成载流子寿命变短载流子寿命变短，影响载流，影响载流子的收集。例如，对子的收集。例如，对5.5Me
16、V的的 粒子，粒子，当达到当达到109cm-2时，分辨率开始变坏，达时，分辨率开始变坏，达到到1011cm-2时明显变坏。时明显变坏。27 由于一般半导体材料的杂质浓度和外由于一般半导体材料的杂质浓度和外加高压的限制，加高压的限制，耗尽层厚度耗尽层厚度为为12mm。对强穿透能力的辐射而言，对强穿透能力的辐射而言，探测效率探测效率受很受很大的局限。大的局限。P-N结半导体探测器存在的矛盾结半导体探测器存在的矛盾：286.3.1.锂的漂移特性及锂的漂移特性及P-I-N结结1)间隙型杂质间隙型杂质LiLi为施主杂质，电离能很小为施主杂质，电离能很小 0.033eVLi漂移速度漂移速度dd=(T)Ed
17、t当温度当温度T 增大时，增大时，(T)增大，增大，Li+漂移漂移速度增大。速度增大。292)P-I-N结的形成结的形成 基体用基体用P型半导体型半导体(因为极高纯度的材料多是因为极高纯度的材料多是P型的型的)，例如掺硼，例如掺硼的的Si或或Ge单晶。单晶。(1)一端表面蒸一端表面蒸Li，Li离子化为离子化为Li+,形成形成PN结。结。(2)另一端表面蒸金属，引出电极。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，并可实现自动补偿自动补偿形成形成。(3)形成形成结，未漂移补偿区仍为结，未漂移补偿区仍为P，引出电
18、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由硅作为基体的探测器称为Si(Li)探测器探测器，由锗作为基体的探测，由锗作为基体的探测器称为器称为Ge(Li)探测器探测器。锂离子是用于漂移成探测器的唯一的离子。锂离子是用于漂移成探测器的唯一的离子。302)工作条件工作条件 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，同时为降低探测器的表面漏电流，锂漂移探测器时为降低探测器的表面漏电流，锂漂移探测器和场效应管和场效
19、应管FET都置于都置于的容器内，的容器内，工作工作于液氮温度于液氮温度(77K)。对对Ge(Li)探测器，由于锂在锗中的迁移率较高，探测器，由于锂在锗中的迁移率较高，以防止，以防止Li+Ga-离子对离解，使离子对离解，使Li+沉积而破坏原来的补偿；沉积而破坏原来的补偿；对对Si(Li)探测器，由探测器，由于锂在硅中的迁移率较低，在于锂在硅中的迁移率较低，在常温下保存常温下保存而无而无永久性的损伤。永久性的损伤。313)由于由于PIN探测器探测器能量分辨率的大大提高能量分辨率的大大提高，开创了开创了 谱学的新阶段。谱学的新阶段。Li漂移探测器的问题：漂移探测器的问题：低温下保存代价很低温下保存代
20、价很高高；漂移的生产周期很长漂移的生产周期很长，约，约3060天。天。32由耗尽层厚度的公式：由耗尽层厚度的公式：降低降低杂质的浓度杂质的浓度Ni可提高耗尽层的厚度。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单晶单晶制成的制成的 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一般半导体材料杂质浓度为1015原子原子/cm3。1/200i2Vd=VeN336.4.1.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结的构成结的构成(采用采用高纯度高纯度的的 Ge单晶单晶，一端表，一端表面通过蒸
21、发扩散或加速器离子注入施主面通过蒸发扩散或加速器离子注入施主杂质杂质(如磷或锂如磷或锂)形成形成 和和，并形成，并形成。另一端蒸金属形成。另一端蒸金属形成。两端引。两端引出电极。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。空间电荷密度很小空间电荷密度很小，P区的区的。346.5.3.性能性能其中：其中：Si(Li)和和Ge(Li)平面型探测器平面型探测器用于用于低能低能(X)射线射线的探测，其能量分辨率常以的探测，其能量分辨率常以55Fe的衰变产物的衰变产物55Mn的的KX能量能量5.95KeV为标准，一般指标约：为标准，一般指标约：1)能量分辨率能量分辨率：232221EEEE
22、 为为载流子数的涨落载流子数的涨落。EFE 36.21)(36.22ENCE 为为漏电流和噪声漏电流和噪声；3E 为为载流子由于陷阱效应带来的涨载流子由于陷阱效应带来的涨落落，通过适当，通过适当提高偏置电压减小提高偏置电压减小。eVE200160 HPGe，Ge(Li)同轴型探测器同轴型探测器用于用于 射线探测射线探测，常以常以60Co能量为能量为1.332MeV的的 射线为标准，一般射线为标准，一般指标约：指标约：KeVE0.25.1 352)探测效率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。以以85cm3的的HPGe为例，探测效率为为例，探测效率为19。3)峰康比峰康比P=全能峰峰值全能峰峰值/康普顿平台的峰值康普顿平台的峰值与与FWHM以及体积有关，可达以及体积有关，可达6008004)时间特性时间特性：电流脉冲宽度电流脉冲宽度可达可达10-910-8s.3637作业：作业：教材教材P158：3、4
