第九章 半導(dǎo)體探測器

1、 第九章第九章 半導(dǎo)體探測器半導(dǎo)體探測器 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 第九章第九章 半導(dǎo)體探測器半導(dǎo)體探測器 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 9.1 半導(dǎo)體的基本性質(zhì) 9.2 P-N結(jié)半導(dǎo)體探測器 9.3 P-I-N型半導(dǎo)體探測器 9.4 高純鍺（HpGe）半導(dǎo)體探測器 9.5 其他半導(dǎo)體探測器 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 9.1 半導(dǎo)體基本性質(zhì) 一本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體 二半導(dǎo)體作為探測介質(zhì)的物理性能 常用半導(dǎo)體材料：Si、Ge

2、 (IV族元素) 三半導(dǎo)體探測器基本原理 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體材料均屬具有一半導(dǎo)體材料均屬具有一 定定晶格結(jié)構(gòu)晶格結(jié)構(gòu)材料，晶體材材料，晶體材 料內(nèi)部的原子（或離子）料內(nèi)部的原子（或離子） 均均有規(guī)則有規(guī)則的的按一定方式按一定方式排排 列（原子排列的格式就叫列（原子排列的格式就叫 晶格晶格）并有固定的熔點。）并有固定的熔點。 9.1 半導(dǎo)體基本性質(zhì) 圖：金剛石、硅、鍺的圖：金剛石、硅、鍺的 晶格結(jié)構(gòu)晶格結(jié)構(gòu) 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.0

3、5 liu_shuhuan 能帶理論介紹能帶理論介紹 晶體內(nèi)的晶體內(nèi)的電子公有化電子公有化 電子不再從屬于某個特定的原子，而是從屬于整電子不再從屬于某個特定的原子，而是從屬于整 個晶體，可以在晶體內(nèi)的任何原子核附近出現(xiàn)個晶體，可以在晶體內(nèi)的任何原子核附近出現(xiàn) 晶體內(nèi)的晶體內(nèi)的“能帶能帶” 對于公有化的電子而言，應(yīng)把整個晶體看做一個對于公有化的電子而言，應(yīng)把整個晶體看做一個 系統(tǒng)，公有化電子的不同運動狀態(tài)應(yīng)與整個晶體系統(tǒng)，公有化電子的不同運動狀態(tài)應(yīng)與整個晶體 的各個能級相對應(yīng)。的各個能級相對應(yīng)。 9.1 半導(dǎo)體基本性質(zhì) 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 l

4、iu_shuhuan 與單個原子的某能級對應(yīng)，在與單個原子的某能級對應(yīng)，在 晶體中將存在晶體中將存在N個能級（個能級（N是晶是晶 體的總原子數(shù)），這些能級間體的總原子數(shù)），這些能級間 隔很近，其能量值均在原來單隔很近，其能量值均在原來單 個原子的對應(yīng)能級附近。單個個原子的對應(yīng)能級附近。單個 原子中處于該能級上的電子在原子中處于該能級上的電子在 晶體中被公有化以后，將全處晶體中被公有化以后，將全處 于這一族間隔很近的能級上。于這一族間隔很近的能級上。 晶體中這一族晶體中這一族間隔很近的能級間隔很近的能級 稱作稱作“能帶能帶”，顯然，與單個，顯然，與單個 原子中個能級相對應(yīng)，在晶體原子中個能級相對

5、應(yīng)，在晶體 內(nèi)存在一系列的能帶。內(nèi)存在一系列的能帶。 9.1 半導(dǎo)體基本性質(zhì) 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 固體的導(dǎo)電性： 物體導(dǎo)電是物體內(nèi)電子在外電場作用下定向運動的結(jié)果。 導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶 由于電場力對電子的作用，使電子的運動速度和能量發(fā)生 變化。從能帶論來看，電子能量變化就是電子從一個能級躍 遷到另一個能級上。 滿帶：能級已被電子所占滿，一般外電場作用時，其電 子不形成電流，對導(dǎo)電沒有貢獻(xiàn)。 導(dǎo)帶：能帶被電子部分占滿，在外電場作用下，電子從 外電場吸收能量躍遷到未被電子占據(jù)的能級上去，形成電流， 起導(dǎo)電作用。

6、禁帶：滿帶和導(dǎo)帶之間的禁區(qū)稱為禁帶，其寬度也稱為 能隙，記做Eg 9.1 半導(dǎo)體基本性質(zhì) 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 9.1 半導(dǎo)體基本性質(zhì) 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 9.1 半導(dǎo)體基本性質(zhì) 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體之間的差別在于禁帶寬度不同： 導(dǎo)體不存在禁帶，滿帶和導(dǎo)電交織在一起； 半導(dǎo)體禁帶較窄，Eg=0.1-2.2eV 絕緣體禁帶較寬，Eg=2-10eV 由于能帶取決于原子間距，所以Eg與溫度和壓力有關(guān)。 一般禁帶寬度大的材料，耐高溫性能和耐輻照性能好

7、。 5 29 10 10 1010 10 cm cm cm 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 一、一、本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體 1 1、 ： 由于熱運動而產(chǎn)生的稱為 且導(dǎo)帶中的和價帶中的 = 理想、無雜質(zhì)的半導(dǎo)體理想、無雜質(zhì)的半導(dǎo)體. 一般情況下，半導(dǎo)體的滿帶完全被電子占滿，導(dǎo) 帶中沒有電子。在熱力學(xué)溫度為零時，即使有外電 場作用， 它們并不導(dǎo)電。但是當(dāng)溫度升高或有光照 時，半導(dǎo)體 滿帶中少量電子會獲得能量而被激發(fā)到 導(dǎo)帶上，這些電子在外電場作用下將參與導(dǎo)電。同 時滿帶中留下的空穴也參與導(dǎo)電。 固體物理理論已證

8、明半導(dǎo)體內(nèi)的為 N型（電子型）半導(dǎo)體： 導(dǎo)帶內(nèi)電子運動。 P型（空穴型）半導(dǎo)體： 滿帶內(nèi)空穴運動。 載流子： 是電子和空穴的統(tǒng)稱。溫度高，禁帶寬度 小，產(chǎn)生的 載流子數(shù)目就多；產(chǎn)生得越多，電子與空 穴復(fù)合的幾率也越大。 在一定溫度下，產(chǎn)生率和復(fù)合 率達(dá)到相對平衡，半導(dǎo)體中保持一 定數(shù)目的載流子。 一、一、本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體 為單位體積中的的數(shù)目，下標(biāo)“i”表示 。T為材料的絕對溫度，EG為能級的禁 帶寬度。 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 禁帶寬度： (Si300 K)1.12eV G E (Ge300

9、 K)0.67eV G E 一、一、本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體 半導(dǎo)體中的載流子密度小，隨溫度變化。 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 一、一、本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體 2、雜質(zhì)半導(dǎo)體 在半導(dǎo)體材料中有選擇地?fù)饺胍恍╇s質(zhì)。對于摻雜半導(dǎo)體， 除了本征激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對以外，還有施主雜質(zhì)提供的電 子和受主雜質(zhì)提供的空穴， 所以電子和空穴的濃度不相等。 雜質(zhì)原子在半導(dǎo)體禁帶中產(chǎn)生局部能級，影響半導(dǎo)體的性質(zhì)。 雜質(zhì)類型：替位型，間隙型。 1) 替位型：III族元素，如B(硼)、Al(鋁)、Ga(鎵)

10、等； V族 元素，如P(磷)、As(砷)、 Sb(銻) 等。 2) 間隙型：Li，可在晶格間運動。 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 3) 施主雜質(zhì)為元素(如磷,鋰)其在半導(dǎo)體中形成的局部能 級( )接近禁帶頂部(即導(dǎo)帶底部)，則 。在室溫下，雜 質(zhì)原子的原來處于其局部能級上的電子很易因熱運動而進(jìn)入 導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶中的電子數(shù)增多，并使該雜質(zhì)原子自身處于離 化狀態(tài)。這類雜質(zhì)原子越多，則導(dǎo)帶內(nèi)的電子局部能級越多。 這類摻有施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為。 常用的五價元素有：P(磷)、As(砷)、Sb(銻)、Li(鋰）等。 五價元素原子的第5個價電

11、子都激發(fā)到導(dǎo)帶中參與導(dǎo)電，五價 元素原子成為正離子，是不能移動的正電中心。這種半導(dǎo)體 的導(dǎo)電主要是電子貢獻(xiàn)。 ： D Nn 施主雜質(zhì)濃度施主雜質(zhì)濃度 一、一、本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 4)4) 受主雜質(zhì)為元素，受主雜質(zhì)在半導(dǎo)體中形 成的局部能級一定很接近禁帶底部(即滿帶頂部)， 表示該局部能級與滿帶頂部的能量差值，則 室溫下滿帶中電子容易躍遷這些能級上；在滿帶中 出現(xiàn)空穴。所以，此時為，雜質(zhì)原 子成為負(fù)電中心。這類雜質(zhì)稱為“ 摻有受主雜質(zhì) 的半導(dǎo)體稱為。 ： A Np 受主雜質(zhì)

12、濃度受主雜質(zhì)濃度 一、一、本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 一、一、本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體 結(jié)構(gòu)缺陷 點缺陷：晶格上出現(xiàn)空位或應(yīng)該空位處出現(xiàn)了原子。 線缺陷：晶體受應(yīng)力作用發(fā)生錯位（沿平面滑移）。 缺陷團(tuán)：晶體內(nèi)點缺陷或線缺陷等復(fù)合而成的復(fù)雜缺陷。 晶格缺陷也能俘獲或放出電子，相當(dāng)于在晶體禁帶中附加 受主或施主能級，也起受主或施主作用。 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan Doping with val

13、ence 5 atomsDoping with valence 3 atoms N-type semiconductorP-type semiconductor 一、一、本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體 一、一、本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體 一、一、本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 空穴濃度空穴濃度： 電子濃度電子濃度： kTEE n F eCn / )( 1 kTEE p F eCp / )( 2 式中，式中，E1為導(dǎo)帶底；為導(dǎo)帶底；E2為價帶頂。為價帶頂

14、。Cn和和Cp為與禁為與禁 帶內(nèi)能級分布無關(guān)的帶內(nèi)能級分布無關(guān)的常數(shù)常數(shù)。 所以所以： kTE pn g eCCpn / 可見，對半導(dǎo)體材料，在一定溫度下，可見，對半導(dǎo)體材料，在一定溫度下，np僅與禁帶僅與禁帶 寬度有關(guān)寬度有關(guān)。因此，在。因此，在相同溫度下相同溫度下，本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體的相等的相等 的的兩種載流子密度之積兩種載流子密度之積與與摻雜半導(dǎo)體摻雜半導(dǎo)體的的兩種載流子密兩種載流子密 度之積度之積相等，即：相等，即： 22 iiii npnpn p 1、載流子密度、載流子密度 二半導(dǎo)體作為探測介質(zhì)的物理性能 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 l

15、iu_shuhuan 2、補償效應(yīng)、補償效應(yīng) 二半導(dǎo)體作為探測介質(zhì)的物理性能 對對：n p，可以加入，可以加入受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)，使之成，使之成 為為本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體，此時，此時n = p = ni，也稱為，也稱為“準(zhǔn)本征半導(dǎo)體準(zhǔn)本征半導(dǎo)體” （實現(xiàn)了完全補償）（實現(xiàn)了完全補償）；進(jìn)一步加入受主雜質(zhì)，可變?yōu)?；進(jìn)一步加入受主雜質(zhì)，可變?yōu)?，即，即p n。 對本征半導(dǎo)體對本征半導(dǎo)體： ii pn 對雜質(zhì)半導(dǎo)體對雜質(zhì)半導(dǎo)體： ， 但仍滿足但仍滿足 2 i npn pn 當(dāng)當(dāng) n = p 時，載流子總數(shù)時，載流子總數(shù) 取最小值。取最小值。 ii pn 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與

16、技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 3、平均電離能 非平衡載流子： 入射粒子產(chǎn)生的載流子。類似氣體 電離，產(chǎn)生一對電子空穴對所需消耗的能量稱作平均 電離能， w與 Eg 一樣與半導(dǎo)體材料和溫度有關(guān)。 300K，w(Si)=3.62eV w(Ge)=2.80eV。 77K，w(Si)=3.76eV， w(Ge)=2.96eV。 半導(dǎo)體中的平均電離能與入射粒子能量無關(guān)。在 半導(dǎo)體中消耗能量為E時，產(chǎn)生的載流子數(shù)目N為： /NEw 二半導(dǎo)體作為探測介質(zhì)的物理性能 4、載流子的遷移率 nn uE pp uE 當(dāng)E 103V/cm時： 二半導(dǎo)體作為探測介質(zhì)的物理性能 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技

17、術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 300K，(Si) 77K，(Si) 32 1.2 10 cmV sec n 42 2.1 10 cmV sec n 遷移率隨溫度下降而上升， 300K，(Ge) 32 3.9 10 cmV sec n 32 1.9 10 cmV sec p 電子遷移率與空穴遷移率相差倍數(shù)， 由于 電子遷移率n 和 空穴遷移率p 相近，與氣體 探測器不同，不存在電子型或空穴型半導(dǎo)體探測器。 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 電場強度較小時， u與場強成正比； 電場強度較大

18、時，u 隨場強增加速度變慢。 電子在Si中的漂移速度 二半導(dǎo)體作為探測介質(zhì)的物理性能 當(dāng)電場升高時，漂移速度隨電場的增加速率變慢； 當(dāng)E 1045V/cm時：達(dá)到飽和漂移速度107cm/sec. 空穴在空穴在Ge中的漂移速度中的漂移速度 電場一定時，低溫 的漂移速度大。 低溫：Es 103V/cm； 室溫：Es 104V/cm。 二半導(dǎo)體作為探測介質(zhì)的物理性能 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 摻雜會大大降低半導(dǎo)體材料的電阻率；對硅來說 摻雜對電阻率的影響比鍺顯著得多； 降低半導(dǎo)體材 料溫度可以提高電阻率。 5、電阻率： 電阻率與

19、電子、空穴濃度及其遷移率有關(guān)， 1 () np e np cm (Si)=2.3105 ； (Ge) = 50100cm 通過補償效應(yīng)，可以提高電阻率； 完全補償時，n=p，電阻率最高。 二半導(dǎo)體作為探測介質(zhì)的物理性能 本征電阻率： 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 二半導(dǎo)體作為探測介質(zhì)的物理性能 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 6、復(fù)合和俘獲： 1）導(dǎo)帶上的電子直接被滿帶中空穴俘獲； 2）通過晶體中雜質(zhì)和晶格缺陷在禁帶內(nèi)的中 間能級 復(fù)合中心和俘獲中心進(jìn)行。 二半

20、導(dǎo)體作為探測介質(zhì)的物理性能 7、載流子壽命： 載流子從產(chǎn)生到消失(俘獲、復(fù)合)的平均時間間 隔 。非平衡載流子數(shù)目N0隨時間按指數(shù)規(guī)律衰減。 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 8、擴散長度或俘獲長度： 表示非平衡載流子從產(chǎn)生到消失前平均移 動的距離。只有當(dāng)漂移長度 大于 靈敏體積的長度才能保證載流子的有效收集。 對高純度的Si和Ge 10-3s，決定了Si和Ge為 最實用的半導(dǎo)體材料。擴散長度必須大于探 測器靈敏區(qū)厚度。 EL 二半導(dǎo)體作為探測介質(zhì)的物理性能 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05

21、 liu_shuhuan 半導(dǎo)體探測器材料：半導(dǎo)體探測器材料： 長載流子壽命；長載流子壽命； 高電阻率高電阻率(漏電流小，結(jié)電容小漏電流小，結(jié)電容小)。 和和是組成半導(dǎo)體是組成半導(dǎo)體 探測器的關(guān)鍵。探測器的關(guān)鍵。 二半導(dǎo)體作為探測介質(zhì)的物理性能 材料要求材料要求物理要求物理要求 L L n,p n,p大或 大或 n,p n,p大 大電荷收集效率高電荷收集效率高 能量分辨好能量分辨好 EgEg大大使用溫度高使用溫度高 抗輻照性能好抗輻照性能好 雜質(zhì)濃度低雜質(zhì)濃度低靈敏區(qū)厚度大靈敏區(qū)厚度大 原子序數(shù)大原子序數(shù)大 射線探測效率高射線探測效率高 材料和加工工藝合適材料和加工工藝合適可生產(chǎn)有用的探測器可

22、生產(chǎn)有用的探測器 對半導(dǎo)體探測器材料的基本要求對半導(dǎo)體探測器材料的基本要求 二半導(dǎo)體作為探測介質(zhì)的物理性能 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 的的基本原理基本原理是帶電粒子在半導(dǎo)體探測是帶電粒子在半導(dǎo)體探測 器的靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生器的靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生，電子空穴對在外，電子空穴對在外 電場的作用下電場的作用下而輸出信號。而輸出信號。 把把中的中的、中被中被 及及中的中的 統(tǒng)稱為統(tǒng)稱為。產(chǎn)生每個信息載。產(chǎn)生每個信息載 流子的平均能量分別為流子的平均能量分別為()，( )和和()。 三半導(dǎo)體探測器基本原理 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通

23、大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 的優(yōu)點：的優(yōu)點： (1) ； (2) ，可與閃爍探測器相比。，可與閃爍探測器相比。 (3) 缺點：缺點： （1）輻射損傷較靈敏，受強輻射后性能變差）輻射損傷較靈敏，受強輻射后性能變差 （2）常用的鍺探測器，需要在低溫條件下工作，）常用的鍺探測器，需要在低溫條件下工作， 甚至要求在低溫下保存，使用不便。甚至要求在低溫下保存，使用不便。 三半導(dǎo)體探測器基本原理 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 常用半導(dǎo)體探測器常用半導(dǎo)體探測器有：有： (1) 半導(dǎo)體探測器；半導(dǎo)體探測器；

24、(2) 半導(dǎo)體探測器；半導(dǎo)體探測器； (3) 半導(dǎo)體探測器；半導(dǎo)體探測器； 三半導(dǎo)體探測器基本原理 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 9.2 P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測器 一工作原理 二P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測器的類型 三輸出信號 四P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測器的性能與應(yīng)用 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 1、P-N結(jié)(勢壘區(qū))的形成 在P型半導(dǎo)體上摻雜，通 過補償效應(yīng)，轉(zhuǎn)化為N型半 導(dǎo)體，形成P-N結(jié)。 由于密度的差異，電子和空 穴朝著密度小的方向擴散。 擴散的結(jié)果形成空間電荷區(qū)

25、，建立起自建電場。 在自建電場的作用下， 擴散與漂移達(dá)到平衡。 形成P-N結(jié)區(qū)，也叫勢壘區(qū)、耗盡區(qū)。 一工作原理 E PN 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 多多 數(shù)數(shù) 載載 流流 子子 擴擴 散，散， 空空 間間 電電 荷荷 形形 成成 內(nèi)內(nèi) 電電 場場 并并 形形 成成 。 結(jié)結(jié) 區(qū)區(qū) 內(nèi)內(nèi) 存存 在在 著著 勢勢 壘壘， 結(jié)結(jié) 區(qū)區(qū) 又又 稱稱 為為 。 勢勢 壘壘 區(qū)區(qū) 內(nèi)內(nèi) 為為 ， ， 實實 現(xiàn)現(xiàn) ， 達(dá)達(dá) ， 遠(yuǎn)遠(yuǎn) 高高 于于 本本 征征 電電 阻阻 率率。 結(jié)結(jié) 區(qū)區(qū) 子子 存存 在在 高高 電電 阻阻 率率 cm

26、 10 10 一工作原理 結(jié)合前，結(jié)合前，N區(qū)的電子比區(qū)的電子比P區(qū)多，區(qū)多，P區(qū)的空穴區(qū)的空穴 比比N區(qū)多。區(qū)多。 結(jié)合后，結(jié)合后，電子由電子由N區(qū)向區(qū)向P區(qū)擴散與空穴復(fù)合；區(qū)擴散與空穴復(fù)合； 空穴由空穴由P區(qū)向區(qū)向N區(qū)擴散與電子復(fù)合。擴散的區(qū)擴散與電子復(fù)合。擴散的 結(jié)果形成結(jié)果形成PN結(jié)。結(jié)。 在在PN結(jié)區(qū)，結(jié)區(qū)，電子空穴很少，剩下的雜質(zhì)正電子空穴很少，剩下的雜質(zhì)正 負(fù)離子形成空間電荷區(qū)，其負(fù)離子形成空間電荷區(qū)，其內(nèi)電場方內(nèi)電場方向由向由N 區(qū)指向區(qū)指向P區(qū)，阻止電子、空穴繼續(xù)擴散，并區(qū)，阻止電子、空穴繼續(xù)擴散，并 造成造成少數(shù)載流子的反向漂移運動少數(shù)載流子的反向漂移運動。當(dāng)擴散。當(dāng)擴散

27、運動和反向漂移運動達(dá)到平衡時，運動和反向漂移運動達(dá)到平衡時，P區(qū)或區(qū)或N 區(qū)的電子空穴濃度就不再變化。這個區(qū)的電子空穴濃度就不再變化。這個由雜由雜 質(zhì)離子組成的空間電荷區(qū)，質(zhì)離子組成的空間電荷區(qū)，即即PN結(jié)區(qū)，結(jié)區(qū)，亦亦 稱稱耗盡區(qū)，阻擋層，勢壘區(qū)。耗盡區(qū)，阻擋層，勢壘區(qū)。 一工作原理 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 少數(shù)能量較高的電子空穴會穿過勢壘區(qū)擴散到對 方區(qū)域，形成正向電流 If 。 f I 由于熱運動在勢壘區(qū)產(chǎn)生 電子空穴，在自建電場作用 下形成反向電流 IG ， G I 擴散到勢壘區(qū)的少數(shù)載流 子在電場作用下也會形成

28、反 向電流 IS 。 達(dá)到平衡時， fGS III , S I E PN 一工作原理 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 2 外加電場下的外加電場下的P-N結(jié)：結(jié)： 在在P-N結(jié)上加結(jié)上加反向電壓反向電壓，由于結(jié)區(qū)電阻率很，由于結(jié)區(qū)電阻率很 高，電位差幾乎都降在結(jié)區(qū)。高，電位差幾乎都降在結(jié)區(qū)。 反向電壓形成的電場與內(nèi)電場方向一致。反向電壓形成的電場與內(nèi)電場方向一致。 外加電場使結(jié)區(qū)寬度增大。反向電壓越高，結(jié)區(qū)外加電場使結(jié)區(qū)寬度增大。反向電壓越高，結(jié)區(qū) 越寬。越寬。 一工作原理 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

29、 2011.05 liu_shuhuan 在外加反向電壓時的反向電流： 少數(shù)載流子的擴散電流，結(jié)區(qū)面積不變，IS 不變； 結(jié)區(qū)體積加大，熱運動產(chǎn)生電子空穴多，IG 增大； 反向電壓產(chǎn)生漏電流 IL ，主要是表面漏電流。 在P-N結(jié)上加反向電壓，由于結(jié)區(qū) 電阻率很高，電位差幾乎都降在結(jié)區(qū)。 反向電壓形成的電場與自建電場方向 一致。 外加電場使結(jié)區(qū)寬度增大。反 向電壓越高，結(jié)區(qū)越寬。 PN E PNPN結(jié)的偏壓特性結(jié)的偏壓特性 加反向電壓，加反向電壓，N區(qū)接正，區(qū)接正， P區(qū)接負(fù)，外加電場方向與內(nèi)建電區(qū)接負(fù)，外加電場方向與內(nèi)建電 場方向相同，使耗盡層增厚，漂移運動增強。當(dāng)帶電粒子穿場方向相同，使耗

30、盡層增厚，漂移運動增強。當(dāng)帶電粒子穿 過時產(chǎn)生電子空穴對，在高電場下分別向正負(fù)電極漂移，過時產(chǎn)生電子空穴對，在高電場下分別向正負(fù)電極漂移， 產(chǎn)生信號。信號幅度正比于電子空穴對數(shù)目，正比于入射粒產(chǎn)生信號。信號幅度正比于電子空穴對數(shù)目，正比于入射粒 子損失能量。所以加反向偏壓的子損失能量。所以加反向偏壓的PN結(jié)就是結(jié)型半導(dǎo)體探測結(jié)就是結(jié)型半導(dǎo)體探測 器的靈敏區(qū)。器的靈敏區(qū)。 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 3、勢壘區(qū)的電場分布 在高電阻率半導(dǎo)體材料表 面摻雜形成勢壘區(qū)。 勢壘區(qū)中的電場： 4 ( )() d eN E xWx 空間電

31、荷密度為， ( ) d xeN ( ) a xeN 1 0 xd 2 0dx 21ad d Nd N 由于空間電荷數(shù)相等： E(x) 一工作原理 4、勢壘區(qū)的寬度 可以得到勢 壘高度： 2 2 d eN W V 所以，勢壘區(qū)的寬度： 1 2 2 d V W eN 對電場積分，可以得到勢 壘分布： 22 2 () d eN VWWx E(x) 一工作原理 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 1 2 0.5()WVNSi:型m 1 2 0.3()WVPSi:型m 結(jié)區(qū)寬度結(jié)區(qū)寬度與與外加電壓外加電壓的關(guān)系的關(guān)系 當(dāng)當(dāng)x = 0時，時，P

32、區(qū)區(qū)和和N區(qū)區(qū)的電位應(yīng)相等，即的電位應(yīng)相等，即 22 021 22 DA eNeN Vdd 又因：又因： 21DA N dN d所以：所以： 0 211 () 2 A V dd d eN 一工作原理 當(dāng)當(dāng)NDNA時，時，d1 d2 。則。則 1 Wd 當(dāng)當(dāng)NAND時，時，d2 d1 。則。則 2 Wd 一般可寫成：一般可寫成： 1/ 2 0 0 2 i V WV eN Ni為為摻雜少摻雜少的一邊的的一邊的雜質(zhì)濃度雜質(zhì)濃度。 結(jié)區(qū)寬度結(jié)區(qū)寬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，因為：的限制，因為： WI G 0 VW 一工作原理 Si 例如： Si(Au), 10

33、mm 3600cm 5MeV測量的質(zhì)子。 問： 反向工作電壓？ 結(jié)區(qū)厚度？ 結(jié)區(qū)電容？ W =200m C =41pF V =45V 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 5、結(jié)區(qū)電容 根據(jù)結(jié)區(qū)電荷隨外加電壓的變化率，可以計算得 到單位面積的結(jié)區(qū)電容： 1 2 1 422 d d eN C WV 41 2 1.8 10 () d CV NSi:型 pF/cm2 PSi:型 41 2 3 10 () d CV pF/cm2 結(jié)區(qū)電容隨外加電壓變化而變化，外加電壓的不 穩(wěn)定可以影響探測器輸出電壓幅度的不穩(wěn)定。 一工作原理 P-N結(jié)半導(dǎo)體探

34、測器的基本原理結(jié)半導(dǎo)體探測器的基本原理 勢壘區(qū)勢壘區(qū)靈敏體積靈敏體積 結(jié)區(qū)外的兩部分半導(dǎo)體結(jié)區(qū)外的兩部分半導(dǎo)體二個電極二個電極 一旦入射粒子在勢壘區(qū)產(chǎn)生了電子一旦入射粒子在勢壘區(qū)產(chǎn)生了電子-空穴對，電子與空穴對，電子與 空穴將立刻被電場掃向兩邊，從而給出信號電流。空穴將立刻被電場掃向兩邊，從而給出信號電流。 一工作原理 為什么半導(dǎo)體為什么半導(dǎo)體PNPN結(jié)可作為靈敏區(qū)？結(jié)可作為靈敏區(qū)？ 1）在PN結(jié)區(qū)可移動的載流子基本 被耗盡，只留下電離了的正負(fù)電 中心，對電導(dǎo)率無貢獻(xiàn)，其具有 很高的電阻率。 2）PN結(jié)加上一定負(fù)偏壓，耗盡區(qū) 擴展，可達(dá)全耗盡，死層極薄， 外加電壓幾乎全部加到PN結(jié)上， 形成很

35、高電場。 3）漏電流很小，有很好的信噪比。 一工作原理 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 采用采用擴散工藝擴散工藝高溫擴散高溫擴散或或離子注入離子注入；材料一般材料一般 選用選用，電阻率為電阻率為1000；把施主雜質(zhì)把施主雜質(zhì)(P)擴擴 散到散到P型型Si材料中，形成材料中，形成P-N結(jié)。通過控制擴散溫度結(jié)。通過控制擴散溫度 和擴散時間，得到和擴散時間，得到1 m以下的薄入射窗。以下的薄入射窗。在電極引在電極引 出時一定要保證為出時一定要保證為歐姆接觸，歐姆接觸，以防止形成另外的結(jié)。以防止形成另外的結(jié)。 性能穩(wěn)定，高溫使載流子壽命

36、減小，窗損失能量。性能穩(wěn)定，高溫使載流子壽命減小，窗損失能量。 二P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測器的類型 1 1、 擴散結(jié)擴散結(jié)( (Diffused Junction) )型探測器型探測器 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 2) 2) 金硅面壘金硅面壘( (Surface Barrier) )探測器探測器 一般用N，在N型Si上蒸薄Au，透過 Au層的氧化作用，表面蒸金50100g/cm2 氧化形 成P型硅，叫做金硅面壘探測器，Si(Au)。 入射窗薄，噪聲小。光敏，耐高溫特性不好。 工藝成熟、簡單、價廉。 二P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測器的類型

37、 面壘型面壘型 l金硅面壘探測器金硅面壘探測器 l優(yōu)點：窗薄，噪聲低，不經(jīng)高溫處理，能量分辨率優(yōu)點：窗薄，噪聲低，不經(jīng)高溫處理，能量分辨率 高，能量線性響應(yīng)好。工藝簡單，成品率高，易于高，能量線性響應(yīng)好。工藝簡單，成品率高，易于 制得大面積探測器。制得大面積探測器。 l主要用于測量質(zhì)子、主要用于測量質(zhì)子、 粒子和重離子等帶電粒子。粒子和重離子等帶電粒子。 二P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測器的類型 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 1) 1) 輸出回路輸出回路 須考慮須考慮結(jié)電阻結(jié)電阻Rd和和結(jié)電容結(jié)電容Cd，結(jié)區(qū)外結(jié)區(qū)外半導(dǎo)體材半導(dǎo)體材 料

38、的料的電阻電阻和和電容電容RS，CS。 三、輸出信號三、輸出信號 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 三、輸出信號三、輸出信號 C L R R C d C)( 0 tI d R S R S C 0 R a C d C)( 0 tI RRRR Ld / 0 CCCa 2) 輸出信號輸出信號 當(dāng)當(dāng) R0(Cd+Ca) tc ( tc為載流子收集時間為載流子收集時間 )時，為時，為 ： 脈沖后沿以時間常數(shù)脈沖后沿以時間常數(shù)R0(Cd+Ca) 指數(shù)規(guī)律下降。指數(shù)規(guī)律下降。 脈沖前沿從粒子入射至全部載流子被收集脈沖前沿從粒子入射至全部載流子被

39、收集(tc)。 但是，由于但是，由于輸出電壓脈沖幅度輸出電壓脈沖幅度h與與結(jié)電容結(jié)電容Cd有關(guān)，有關(guān)， 而而結(jié)電容結(jié)電容 隨隨偏壓偏壓而變化，因此當(dāng)所加偏而變化，因此當(dāng)所加偏 壓不穩(wěn)定時，將會使壓不穩(wěn)定時，將會使 h 發(fā)生附加的漲落，發(fā)生附加的漲落， 不利于不利于 能譜的測量；為解決該矛盾，能譜的測量；為解決該矛盾，PN結(jié)半導(dǎo)體探測器結(jié)半導(dǎo)體探測器 通常通常不用不用電壓型電壓型或或電流型電流型前置放大器，而是采用前置放大器，而是采用 電荷靈敏前置放大器電荷靈敏前置放大器。電荷靈敏放大器的輸入電。電荷靈敏放大器的輸入電 容極大，可以保證容極大，可以保證 C入 入 Cd ，而 ，而 C入 入是十分

40、穩(wěn)定 是十分穩(wěn)定 的，從而大大減小了的，從而大大減小了Cd變化的影響。若反饋電容變化的影響。若反饋電容 和反饋電阻為和反饋電阻為Cf和和Rf，則輸出脈沖幅度為：，則輸出脈沖幅度為： 0 /1VCd f N e h C 輸出回路的輸出回路的時間常數(shù)時間常數(shù)為：為： ff CR 0 2) 輸出信號輸出信號 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 3) 3) 載流子收集時間載流子收集時間 由于在邊界，電場強度趨于由于在邊界，電場強度趨于0，定義載，定義載 流子掃過流子掃過 x0.99W 的距離的時間為載流的距離的時間為載流 子收集時間：子收集

41、時間： stC 8911 101010 8 可以獲得快的上升時間?？梢垣@得快的上升時間。 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 主要用于測量主要用于測量重帶電粒子重帶電粒子的的能譜能譜，如，如 , ,p等，一等，一 般要求般要求耗盡層厚度耗盡層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 影響能量分辨率的因素影響能量分辨率的因素為：為： (1) 輸出輸出脈沖幅度的統(tǒng)計漲落脈沖幅度的統(tǒng)計漲落 E wF v E E N 36. 236. 2 式中：式中：F為法諾因子，對為法諾因子，對Si，F(xiàn)=0.143；對

42、；對Ge， F=0.129。w為產(chǎn)生一個為產(chǎn)生一個電子電子空穴空穴對所需要的平對所需要的平 均能量。均能量。 四P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測器的性能與應(yīng)用 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 能量分辨率可用能量分辨率可用FWHM表示：表示： EwFEEFWHM 36. 2 FWHM 或或 E 稱為稱為或或線寬線寬，單位為：，單位為： 。 1 2.364.08EF w EKeV 以以210Po的的 E5.304MeV 的的 粒子為例，粒子為例， 對一種對一種PN 結(jié)探測器，由于輸出脈沖幅度的結(jié)探測器，由于輸出脈沖幅度的統(tǒng)計漲落統(tǒng)計漲落引起的線

43、引起的線 寬為：寬為： (2) 探測器和電子學(xué)噪聲探測器和電子學(xué)噪聲 探測器的噪聲探測器的噪聲由由P-N結(jié)反向電流結(jié)反向電流及及表面漏電流表面漏電流的的 漲落漲落造成；造成； 電子學(xué)噪聲電子學(xué)噪聲主要由第一級主要由第一級FET構(gòu)成，包括：構(gòu)成，包括： 零電容噪聲零電容噪聲和和噪聲斜率噪聲斜率。 噪聲的表示方法噪聲的表示方法：等效噪聲電荷等效噪聲電荷ENC，即放大器輸，即放大器輸 出噪聲電壓的均方根值等效于放大器輸入端的噪聲電出噪聲電壓的均方根值等效于放大器輸入端的噪聲電 荷，以荷，以電子電荷電子電荷為單位；由于噪聲為單位；由于噪聲疊加疊加在射線產(chǎn)生的在射線產(chǎn)生的 信號上，使信號上，使譜線進(jìn)一步

44、譜線進(jìn)一步加寬加寬，參照產(chǎn)生信號的射線的，參照產(chǎn)生信號的射線的 能量，用能量，用FWHM表示，其單位就是表示，其單位就是KeV。例如，。例如，ENC 200電子對，由噪聲引起的線寬為：電子對，由噪聲引起的線寬為： KeVwENCFWHME64. 1)(36. 2)( 22 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan (3) 窗厚度的影響窗厚度的影響 )()( 033 ddFWHME 式中式中 為為單位窗厚度引起的能量損失單位窗厚度引起的能量損失。 得到得到總線寬總線寬為：為： 2 3 2 2 2 1 EEEE KeVE51. 4 例如：例如

45、： KeVE08. 4 1 KeVE64. 1 2 KeVE0 . 1 3 則：則： 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 入射粒子通過探測器靈敏區(qū)之前的非耗盡層厚度稱為入射粒子通過探測器靈敏區(qū)之前的非耗盡層厚度稱為 窗厚。窗厚。 E EEE E1 111 22 2 2 45coscos 入射帶電粒子只有在入射帶電粒子只有在靈敏區(qū)內(nèi)靈敏區(qū)內(nèi)損失的能量對輸出脈損失的能量對輸出脈 沖有貢獻(xiàn)，但在進(jìn)入靈敏區(qū)前沖有貢獻(xiàn)，但在進(jìn)入靈敏區(qū)前穿過一定厚度的窗也會穿過一定厚度的窗也會 損失一部分能量損失一部分能量。窗厚可以采用測量單能重帶電粒子窗厚可

46、以采用測量單能重帶電粒子 在兩個不同入射角入射時產(chǎn)生的脈沖幅度來確定。在兩個不同入射角入射時產(chǎn)生的脈沖幅度來確定。當(dāng)當(dāng) 入射角入射角 =0時（即垂直入射），在窗內(nèi)損失能量為時（即垂直入射），在窗內(nèi)損失能量為 E1。入射角入射角 =45時，窗內(nèi)損失能量時，窗內(nèi)損失能量 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 假設(shè)入射帶電粒子在窗材料中射程假設(shè)入射帶電粒子在窗材料中射程 ： 靈敏區(qū)厚） 靈 窗 窗(dRd 則則兩種兩種入射情況下，在入射情況下，在靈敏區(qū)靈敏區(qū)損失的能量差為損失的能量差為 EE EEEE EEEEE 11 1112 2010

47、414. 0) 12( 2 )()( 式中式中E1是用能量損失表示的窗厚。是用能量損失表示的窗厚。 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 對重帶電粒子主要是對重帶電粒子主要是電離損失電離損失，則可由，則可由 射程公式求出射程公式求出窗厚窗厚。金硅面壘探測器金硅面壘探測器的的窗厚窗厚 金層厚度硅基片未耗盡層（亦稱死層）金層厚度硅基片未耗盡層（亦稱死層） 厚。厚。 V0適當(dāng)時可使適當(dāng)時可使d死 死很小。金層厚約 很小。金層厚約 （0.010.05） m。所以窗比較薄，所以窗比較薄，僅僅對低對低 能重帶電粒子的能量進(jìn)行精確測量能重帶電粒子的

48、能量進(jìn)行精確測量時才考慮時才考慮 窗厚的修正。窗厚的修正。 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan （4）空氣和窗吸收的影響）空氣和窗吸收的影響 入射帶電粒子從放射源發(fā)出到進(jìn)入探測器入射帶電粒子從放射源發(fā)出到進(jìn)入探測器 靈敏體積要靈敏體積要經(jīng)過空氣層和入射窗并在其中經(jīng)過空氣層和入射窗并在其中 損失一部分能量，造成損失一部分能量，造成 輸出脈沖幅度減小，輸出脈沖幅度減小， 譜峰有個譜峰有個低能尾部，低能尾部，從而使從而使分辨率變差。分辨率變差。 測能譜時可以把測能譜時可以把放射源放射源盡可能靠近探測盡可能靠近探測 器。器。且還可以且還可以

49、抽真空（把探測器放在真空抽真空（把探測器放在真空 中）中）從而可忽略空氣的吸收。從而可忽略空氣的吸收。 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 對對金硅面壘探測器，金硅面壘探測器，窗主要是金層厚度窗主要是金層厚度 d ，入射粒子進(jìn)入探測器靈敏區(qū)的入射角在，入射粒子進(jìn)入探測器靈敏區(qū)的入射角在 0 max ，帶電粒子在金層中單位厚度，帶電粒子在金層中單位厚度 的能量損失為的能量損失為 E，則入射帶電粒子穿過金，則入射帶電粒子穿過金 層層 d厚度時引起的厚度時引起的譜線展寬譜線展寬為為 max max cos cos1 dEE 窗窗 西安交通

50、大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 2） 分辨時間分辨時間與與時間分辨本領(lǐng)時間分辨本領(lǐng)： s 89 1010 3） 能量線性很好，能量線性很好，與入射與入射粒子類型粒子類型和和能量基本無關(guān)能量基本無關(guān) 4） 輻照壽命輻照壽命 輻照壽命是半導(dǎo)體探測器的一個致命的輻照壽命是半導(dǎo)體探測器的一個致命的弱點弱點。 半導(dǎo)體探測器隨著使用時間的增加，造成半導(dǎo)體探測器隨著使用時間的增加，造成載流子壽載流子壽 命變短命變短，影響載流子的收集。例如，對，影響載流子的收集。例如，對5.5MeV的的 粒子，當(dāng)達(dá)到粒子，當(dāng)達(dá)到109cm-2時，分辨率開始變壞，達(dá)到時

51、，分辨率開始變壞，達(dá)到 1011cm-2時明顯變壞。時明顯變壞。 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 9.3 P-I-N型半導(dǎo)體探測器 一工作原理 二輸出信號與主要性能 三 P-I-N型半導(dǎo)體探測器的應(yīng)用 為什么要發(fā)展P-I-N型探測器？ 1MeV的粒子在硅中的射程2mm， 而P-N結(jié)型探測器靈敏體積的線度一般不超過1mm。 P-N結(jié)型探測器探測和的效率太低。 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 帶正電的鋰離子與帶負(fù)電的 受主離子結(jié)合成中性的正負(fù)離 子對。 在高電阻率的P

52、型半導(dǎo)體材 料表面摻入鋰原子，制成P-N 結(jié)。 一工作原理 PN E I 由于補償作用，形成本征區(qū)。 構(gòu)成P-I-N結(jié)構(gòu)。 E 本征區(qū)I 電子空穴密度相等， II np PNI N區(qū)和P區(qū)多數(shù)載流子密度 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于少數(shù)載流子密度， NN np PP np 存在不等式： NIP nnn NIP ppp 多數(shù)載流子擴散，出現(xiàn)空間電荷。 空間電荷建立電場，阻止多數(shù)載流子進(jìn)一步擴散。 E x /V d d0 鋰離子在外加電場作用下向 右漂移。 NLi較大處會引起電場變化， 加速多余的鋰離子向右漂移。 a b LiA NN 鋰離子漂移區(qū)域不存在空 間電荷，為均勻電場分布。 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安

53、交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 1、鋰漂移探測器的輸出信號 2、能量分辨率 3、線性 4、探測效率 絕對效率，本征效率 總效率， 峰效率 5、峰康比 6、分辨時間 二輸出信號與主要性能 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 鋰漂移探測器的輸出信號 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 探測效率 絕對總效率 N n st 放射源發(fā)出的粒子數(shù) 數(shù)探測器記錄到的全譜計 絕對峰效率 N n p sp 放射源發(fā)出的粒子數(shù) 計數(shù)探測器記錄到的全能峰 本征

54、總效率 D int N n 進(jìn)入探測器的粒子數(shù) 數(shù)探測器記錄到的全譜計 本征峰效率 D p inp N n 進(jìn)入探測器的粒子數(shù) 計數(shù)探測器記錄到的全能峰 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 全譜面積 全能峰面積 峰總比 康普頓坪平均高度 全能峰高度 峰康比 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 三 P-I-N型半導(dǎo)體探測器的應(yīng)用 1、使用中的注意事項 2、鋰漂移探測器與其它射線譜儀的比較 與碘化鈉閃爍譜儀的比較 與正比計數(shù)器的比較 與晶體衍射譜儀的比較 3、半導(dǎo)體譜儀在核物

55、理實驗中的應(yīng)用 4、半導(dǎo)體譜儀在工業(yè)技術(shù)中的應(yīng)用 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 要求低溫條件： 室溫下，離子對會離解； 降低反向電流和噪聲。 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 9.4 高純鍺HPGe半導(dǎo)體探測器 一工作原理 二主要性能與應(yīng)用 為什么要發(fā)展HPGe探測器？ 鋰漂移探測器需要低溫保存與使用。 生產(chǎn)周期(鋰漂移時間)長。 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 耗盡層的寬度： 1 2 2 V W

56、eN 純化，N1010原子/cm3， 達(dá)W10mm，高純鍺(HPGe)探測器。 大體積靈敏區(qū)：增加工作電壓V，降低雜質(zhì)密度N。 一工作原理 高純鍺探測器： P-N結(jié)型探測器，常溫保存，低溫使用。 補償，鋰漂移型探測器。 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 靈敏區(qū)厚度：510 mm ：E 220 MeV p：Ep 60 MeV ：300 600 keV 工作在全耗盡狀態(tài)； 液氮溫度77K。 形成P+-P-n+結(jié)構(gòu)。 P型區(qū)存在電荷，電場強 度不均勻。 平面型HPGe探測器 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 20

57、11.05 liu_shuhuan 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 同軸型靈敏區(qū)體積大， 400cm3。 同軸型HPGe探測器 雙端同軸單端同軸 雙端同軸型表面漏電流較大，增加噪聲。 單端同軸型電場徑向一致性較差，通過磨園、加 長內(nèi)芯電極加以改善。 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 1、能量分辨率： 同軸型測量的分辨率：1.52.0keV1.332MeV； Si(Li)

58、、Ge(Li)測量x ： 160200eV5.95keV。 二高純鍺和鋰漂移探測器的主要性能 能量分辨率影響因素：能量分辨率影響因素： （1）射線產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)的漲落）射線產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)的漲落 （2）探測器及電子學(xué)儀器的噪聲）探測器及電子學(xué)儀器的噪聲 （3）電子空穴對的俘獲）電子空穴對的俘獲 （4）工作溫度）工作溫度 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 2、探測效率： 相對33吋的NaI(Tl)晶體 85cm3的HPGe 測量的探測效率19%。 3、峰康比： 峰頂計數(shù)與康普頓坪平均計數(shù)之比，2080。 4、電流脈沖寬度：10

59、9108 sec.。 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan 各種探測器測量分辨率比較 探測器 55Fe X 5.9 keV 137Cs 662 keV 60Co 1332 keV 241Am 5.485 MeV 屏柵電離室1% Si(Au)3 Si(Li)3% 正比計數(shù)器16% Ge(Li)1.3 NaI(Tl)52%7%6% 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan NaI(Tl)和Ge(Li)的108Ag和110Ag能譜 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)

60、院 2011.05 liu_shuhuan 1) HPGe和和Ge(Li)用于組成用于組成 譜儀譜儀：鍺具有較高的密度：鍺具有較高的密度 和較高的原子序數(shù)和較高的原子序數(shù)(Z=32) 探頭探頭(晶體前置放大器低溫裝置晶體前置放大器低溫裝置)； 三三. . 應(yīng)應(yīng) 用用 譜放大器譜放大器(穩(wěn)定性，抗過載，極零調(diào)節(jié)，基線恢復(fù)等穩(wěn)定性，抗過載，極零調(diào)節(jié)，基線恢復(fù)等); 譜儀的組成譜儀的組成： 多道脈沖幅度分析器多道脈沖幅度分析器(一般大于一般大于4000道，現(xiàn)在一般都道，現(xiàn)在一般都 帶有數(shù)字穩(wěn)譜功能帶有數(shù)字穩(wěn)譜功能)； 計算機計算機(譜解析軟件及定量分析軟件譜解析軟件及定量分析軟件)。 譜儀的應(yīng)用譜儀