【清華大學(xué)工物系課件】電離輻射探測_工程碩士課程(6)-半導(dǎo)體探測器

1、why semiconductor detector?產(chǎn)生產(chǎn)生需要的能量需要的能量F:0.20.5F:1F:0.1目前常見的半導(dǎo)體探測器材料有兩種：目前常見的半導(dǎo)體探測器材料有兩種：Si：s純度不高，難以做成大的探純度不高，難以做成大的探測器（載流子壽命）測器（載流子壽命） 適合帶電粒子測量（短射程）適合帶電粒子測量（短射程）Ge： 純度很高（高純鍺），可以純度很高（高純鍺），可以做成較大的探測器做成較大的探測器 適合適合能譜測量能譜測量 能量分辨率高能量分辨率高 探測效率高，可與閃爍探測效率高，可與閃爍體相比擬體相比擬 緊湊緊湊 較快的時間響應(yīng)較快的時間響應(yīng)尺寸較小，難以做大尺寸較小，難以做

2、大易受射線損傷易受射線損傷本章討論的核心，仍然是關(guān)本章討論的核心，仍然是關(guān)于于的問題：的問題：產(chǎn)生（統(tǒng)計性）產(chǎn)生（統(tǒng)計性）運動運動損失損失形成信號形成信號干擾干擾探測器性能探測器性能關(guān)于能帶（知識介紹） 晶體內(nèi)的外層電子不再從屬于某個特定的原子，而是從晶體內(nèi)的外層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)任何原子核附近出現(xiàn)。屬于整個晶體，可以在晶體內(nèi)任何原子核附近出現(xiàn)。E單個原子的能級晶體中：晶體中：原子緊密、規(guī)則地排列原子緊密、規(guī)則地排列相鄰原子間的作用顯著相鄰原子間的作用顯著起來起來電子不僅受自身原子核電子不僅受自身原子核的庫侖作用，也受周圍的庫侖作用，也受周圍其它原子

3、核的作用其它原子核的作用外層電子外層電子“公有化公有化”E晶體中的能帶N個電子N個能級能級間隔：10-22eV構(gòu)成晶體的總原子數(shù)：N滿帶（價帶）、禁帶、空帶（導(dǎo)帶）第六章 半導(dǎo)體探測器6.2 均勻型半導(dǎo)體探測器均勻型半導(dǎo)體探測器6.3 P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測器結(jié)型半導(dǎo)體探測器6.4 P-I-N型半導(dǎo)體探測器型半導(dǎo)體探測器6.5 高純鍺高純鍺HPGe半導(dǎo)體探測器半導(dǎo)體探測器6.6 鋰漂移和鋰漂移和HPGe半導(dǎo)體探測器的性能半導(dǎo)體探測器的性能與應(yīng)用與應(yīng)用6.7 其它半導(dǎo)體探測器其它半導(dǎo)體探測器6.1 半導(dǎo)體基本性質(zhì)常用半導(dǎo)體材料：常用半導(dǎo)體材料：Si Si、Ge (IVGe (IV族元素族元素) )

4、一本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體一本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體19310 exp2(1/)GnpEkTcm(Si300 K)1.12eVGE(Ge300 K)0.67eVGE1032 10/ cmnp1332.4 10/ cmnp 在半導(dǎo)體材料中有選擇地?fù)饺胍恍╇s質(zhì)在半導(dǎo)體材料中有選擇地?fù)饺胍恍╇s質(zhì)(ppm或更小或更小)。 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)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)。 V族元素，如族元素，如P、As、Sb。 能級接近導(dǎo)帶底端能量；能級接近導(dǎo)帶底端能量； 室溫下熱運動使雜質(zhì)原子離化；室溫下熱運動使雜質(zhì)原子離化； 離化產(chǎn)生的電子進(jìn)入導(dǎo)帶，但價離化產(chǎn)

5、生的電子進(jìn)入導(dǎo)帶，但價帶中并不產(chǎn)生空穴。帶中并不產(chǎn)生空穴。多數(shù)載流子多數(shù)載流子(majority carriers)少數(shù)載流子少數(shù)載流子(minority carriers)例：例：室溫下，本征硅的載流室溫下，本征硅的載流子密度為：子密度為：1010cm-3施主摻雜施主摻雜1017atoms/cm3 (2ppm)，電子密度：電子密度：1017/cm3空穴密度：空穴密度：103/cm3 III族元素，如族元素，如B、Al、Ga。 能級接近價帶頂端能量；能級接近價帶頂端能量； 室溫下價帶中電子容易躍遷這室溫下價帶中電子容易躍遷這些能級上；些能級上； 在價帶中出現(xiàn)空穴。在價帶中出現(xiàn)空穴。 導(dǎo)帶上不產(chǎn)

6、生電子。導(dǎo)帶上不產(chǎn)生電子。二半導(dǎo)體作為探測介質(zhì)的物理性能半導(dǎo)體中電子和空穴的密度乘積為，半導(dǎo)體中電子和空穴的密度乘積為，expGn pCEkT本征半導(dǎo)體的載流子密度本征半導(dǎo)體的載流子密度ni、pi和雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子密度和雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子密度n、p滿足：滿足：22iiiin pnpnp1()eFEEkTnnC2()eFEEkTppCEF：費米能級：費米能級12GEEEss沒有射線，是否會有載流子沒有射線，是否會有載流子（電子空穴對）？（電子空穴對）？ss電子與空穴的數(shù)目是否相等？電子與空穴的數(shù)目是否相等？與半導(dǎo)體的特性有關(guān)與半導(dǎo)體的特性有關(guān)入射粒子在半導(dǎo)體介質(zhì)中平均產(chǎn)生入射粒子在半導(dǎo)體介質(zhì)中

7、平均產(chǎn)生一對一對電子空穴電子空穴需要的能量。需要的能量。如果在如果在N N型半導(dǎo)體中加入受主雜質(zhì)，型半導(dǎo)體中加入受主雜質(zhì)，p n pn不變當(dāng)當(dāng)p n，N型半導(dǎo)體轉(zhuǎn)化為型半導(dǎo)體轉(zhuǎn)化為P型半導(dǎo)體。叫做型半導(dǎo)體。叫做。當(dāng)當(dāng)p = n，完全補償完全補償。例如：例如：N型半導(dǎo)體，施主雜質(zhì)幾乎全部電離，型半導(dǎo)體，施主雜質(zhì)幾乎全部電離，n p 。ss電子與空穴的數(shù)目關(guān)系是否可以改變？電子與空穴的數(shù)目關(guān)系是否可以改變？ss我們關(guān)心的是射線產(chǎn)生的載流子，數(shù)目是多少？我們關(guān)心的是射線產(chǎn)生的載流子，數(shù)目是多少？半導(dǎo)體平均電離能的特點：1. 近似與入射近似與入射和和，根據(jù)電，根據(jù)電子空穴對可以推得入射粒子的能量子空穴

8、對可以推得入射粒子的能量請回顧一下氣請回顧一下氣體和閃爍體的體和閃爍體的情況？情況？2. 入射粒子電離產(chǎn)生的入射粒子電離產(chǎn)生的和和的的的。無論是與本征半導(dǎo)體反應(yīng)，還是的。無論是與本征半導(dǎo)體反應(yīng)，還是與與n型、型、p型半導(dǎo)體反應(yīng)。型半導(dǎo)體反應(yīng)。摻雜量小，不足以摻雜量小，不足以改變射線與物質(zhì)相改變射線與物質(zhì)相互作用的特點?；プ饔玫奶攸c。3. 半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的3eV，107cm解決辦法：解決辦法： 室溫半導(dǎo)體室溫半導(dǎo)體 補償法，提高材料的電阻率補償法，提高材料的電阻率利用補償法制備具有本征電阻率的硅晶體，在利用補償法制備具有本征電阻率的硅晶體，在100K的的低溫下工作，則電阻率可以滿足要求。低溫下工

9、作，則電阻率可以滿足要求。在在N型硅中摻雜型硅中摻雜3倍于施主數(shù)目的金。倍于施主數(shù)目的金。載流子壽命變短。載流子壽命變短。選擇禁帶寬度大的材料，在室溫下本征電阻率也足夠高，選擇禁帶寬度大的材料，在室溫下本征電阻率也足夠高，例如化合物半導(dǎo)體材料：例如化合物半導(dǎo)體材料：GaAs，CdTe，CZT(CdZnTe)，HgI2，CVD (Chemical Vapor Deposition)金剛石探測器金剛石探測器6.1 半導(dǎo)體基本性質(zhì)半導(dǎo)體基本性質(zhì)6.2 均勻型半導(dǎo)體探測器均勻型半導(dǎo)體探測器6.4 P-I-N型半導(dǎo)體探測器型半導(dǎo)體探測器6.5 高純鍺高純鍺HPGe半導(dǎo)體探測器半導(dǎo)體探測器6.6 鋰漂移和

10、鋰漂移和HPGe半導(dǎo)體探測器的性能半導(dǎo)體探測器的性能與應(yīng)用與應(yīng)用6.7 其它半導(dǎo)體探測器其它半導(dǎo)體探測器6.3 P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測器一工作原理在在P P型半導(dǎo)體上摻雜，通過補償型半導(dǎo)體上摻雜，通過補償效應(yīng)，轉(zhuǎn)化為效應(yīng)，轉(zhuǎn)化為N N型半導(dǎo)體，型半導(dǎo)體，。由于密度的差異，電子和空穴朝由于密度的差異，電子和空穴朝著密度小的方向著密度小的方向。擴(kuò)散的結(jié)果形成空間電荷區(qū)，建立起擴(kuò)散的結(jié)果形成空間電荷區(qū)，建立起。EPN在自建電場的作用下，在自建電場的作用下， 擴(kuò)散與漂移達(dá)到平衡。形成擴(kuò)散與漂移達(dá)到平衡。形成P-NP-N結(jié)區(qū)，結(jié)區(qū)，也叫也叫。ss電場是均勻的嗎？電場是均勻的嗎？ss耗盡了什么？耗盡了什么？

11、1010cm少數(shù)能量較高的少數(shù)能量較高的會穿過勢壘區(qū)擴(kuò)會穿過勢壘區(qū)擴(kuò)散到對方區(qū)域，形成散到對方區(qū)域，形成 。fIGIg W e由于由于在勢壘區(qū)產(chǎn)生在勢壘區(qū)產(chǎn)生，在自建電場作用下形成，在自建電場作用下形成 ，GI,SI擴(kuò)散到勢壘區(qū)的擴(kuò)散到勢壘區(qū)的在電在電場作用下也會形成場作用下也會形成 。達(dá)到平衡時，達(dá)到平衡時，fGSIIIEPN導(dǎo)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶價帶價帶EFEF價帶價帶EF導(dǎo)帶導(dǎo)帶價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶價帶價帶EFg: 單位體積e-h對的產(chǎn)生速度，w: 結(jié)區(qū)的厚度在外加反向電壓時的在外加反向電壓時的：少數(shù)載流子的少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流，結(jié)區(qū)面積不變，結(jié)區(qū)面積不變，IS 不變；不變；結(jié)區(qū)體積加大，

12、結(jié)區(qū)體積加大，熱運動產(chǎn)生熱運動產(chǎn)生電子空穴多，電子空穴多，IG 增大；增大；反向電壓產(chǎn)生反向電壓產(chǎn)生漏電流漏電流 IL ，主要是表面漏電流。，主要是表面漏電流。在在P-N結(jié)上加反向電壓，由于結(jié)結(jié)上加反向電壓，由于結(jié)區(qū)電阻率很高，電位差幾乎都降區(qū)電阻率很高，電位差幾乎都降在結(jié)區(qū)。在結(jié)區(qū)。E反向電壓形成的電場與自建電場反向電壓形成的電場與自建電場方向一致。方向一致。外加電場使結(jié)區(qū)寬度增大。反向外加電場使結(jié)區(qū)寬度增大。反向電壓越高，結(jié)區(qū)越寬。電壓越高，結(jié)區(qū)越寬。PN 勢壘區(qū)中的電場：勢壘區(qū)中的電場：4( )()deNE xWx 空間電荷密度為，空間電荷密度為，( )dxeN( )axeN 10 xd

13、20dx21add Nd N 由于空間電荷數(shù)相等：由于空間電荷數(shù)相等：E E( (x x) )可以得到勢壘高度：可以得到勢壘高度：22deN WV所以，勢壘區(qū)的寬度：所以，勢壘區(qū)的寬度：1 22dVWeN對電場積分，可以得到勢壘分布：對電場積分，可以得到勢壘分布：222()deNVWWxE(x)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：面積的結(jié)區(qū)電容：1 21422ddeNCWVs結(jié)區(qū)電容隨外加電壓變化而變化結(jié)區(qū)電容隨外加電壓變化而變化s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)定外加電壓的不穩(wěn)定可以影響探測器輸出電壓

14、幅度的不穩(wěn)定s需要想辦法解決，怎么解決？需要想辦法解決，怎么解決？1 20.5()WVNSi:型 m1 20.3()WVPSi:型 m41 21.8 10 ()dCVNSi:型pF/cm2PSi:型41 23 10 ()dCVpF/cm2Si例如：例如：Si(Au), 10mm3600cm5MeV測量的質(zhì)子。問：反向工作電壓？問：反向工作電壓？ 結(jié)區(qū)厚度？結(jié)區(qū)厚度？ 結(jié)區(qū)電容？結(jié)區(qū)電容？ 反向電壓過大，可能造成反向電壓過大，可能造成P-N結(jié)的擊穿。結(jié)的擊穿。結(jié)區(qū)內(nèi)場強不均勻，交界處場強最大，容易發(fā)生擊穿。結(jié)區(qū)內(nèi)場強不均勻，交界處場強最大，容易發(fā)生擊穿。 場強增大，載流子在勢壘區(qū)獲得的能量足以使

15、其它電子由價場強增大，載流子在勢壘區(qū)獲得的能量足以使其它電子由價帶進(jìn)入導(dǎo)帶，帶進(jìn)入導(dǎo)帶，“雪崩擊穿雪崩擊穿”。 反向電流急劇增大。可能造成破壞性的后果。反向電流急劇增大。可能造成破壞性的后果。 電阻率越高，則耗盡層越厚，電場越弱，不易擊穿。電阻率越高，則耗盡層越厚，電場越弱，不易擊穿。 加保護(hù)電阻，限制電流，可防止探測器的擊穿損壞。加保護(hù)電阻，限制電流，可防止探測器的擊穿損壞。二P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測器的類型1. 擴(kuò)散結(jié)型探測器擴(kuò)散結(jié)型探測器 用高電阻率、長載流子壽命的用高電阻率、長載流子壽命的P型硅來制造。型硅來制造。 把施主雜質(zhì)把施主雜質(zhì)(如磷如磷)擴(kuò)散到擴(kuò)散到P型型Si材料中，形成材料中，

16、形成P-N結(jié)。結(jié)。 施主雜質(zhì)濃度大，結(jié)區(qū)幾乎全部在施主雜質(zhì)濃度大，結(jié)區(qū)幾乎全部在P型區(qū)內(nèi)。型區(qū)內(nèi)。N型區(qū)型區(qū)很?。汉鼙。?.12.0 m。sN型區(qū)之外的表面層構(gòu)成了死層型區(qū)之外的表面層構(gòu)成了死層(dead layer)，入射，入射窗。在粒子譜儀中，入射窗的存在是不受歡迎的。窗。在粒子譜儀中，入射窗的存在是不受歡迎的。s高溫使載流子壽命減小。高溫使載流子壽命減小。 擴(kuò)散結(jié)型探測器目前已經(jīng)逐漸被其它探測器所取代，擴(kuò)散結(jié)型探測器目前已經(jīng)逐漸被其它探測器所取代，但由于更為但由于更為“皮實皮實”，不易受外部因素（如油氣），不易受外部因素（如油氣）的影響，仍然在使用。的影響，仍然在使用。2. 面壘型探測器

17、面壘型探測器主要用主要用N型硅（也可為型硅（也可為P型硅）來制作（機(jī)制還不是很型硅）來制作（機(jī)制還不是很清楚）。清楚）。在在N型型Si上蒸薄上蒸薄Au，透過，透過Au層的氧化作用，形成層的氧化作用，形成P型氧型氧化層。叫做金硅面壘探測器，化層。叫做金硅面壘探測器，Si(Au)。入射窗薄，死區(qū)小。入射窗薄，死區(qū)小。s 對可見光敏感，會導(dǎo)致很大的噪聲。對可見光敏感，會導(dǎo)致很大的噪聲。不過在粒子能譜測量過程中所需要的真空條件一般不過在粒子能譜測量過程中所需要的真空條件一般會同時解決避光問題。會同時解決避光問題。s 面壘探測器的入射窗很薄，不能觸碰，對環(huán)境中的蒸面壘探測器的入射窗很薄，不能觸碰，對環(huán)境

18、中的蒸汽污染敏感（真空泵中的油）。汽污染敏感（真空泵中的油）。3. 離子注入（離子注入（Ion Implanted Layers）另外一種在半導(dǎo)體表面摻雜的方法：另外一種在半導(dǎo)體表面摻雜的方法：將將P或或B粒子通過加速（粒子通過加速（10kV），注入到），注入到半導(dǎo)體的表面。半導(dǎo)體的表面。加速電壓確定加速電壓確定摻雜深度確定，易于控制摻雜深度確定，易于控制與擴(kuò)散結(jié)型相比：在注入后，需要退火以消除與擴(kuò)散結(jié)型相比：在注入后，需要退火以消除射線損傷，射線損傷，tc時，探測器輸出電壓脈沖幅度為，時，探測器輸出電壓脈沖幅度為，maxNeVC這時，輸出電壓脈沖前沿由電流脈沖形狀決定，后沿以輸出這時，輸出電

19、壓脈沖前沿由電流脈沖形狀決定，后沿以輸出回路時間常數(shù)回路時間常數(shù)RC指數(shù)規(guī)律下降。指數(shù)規(guī)律下降。diCCCC 輸出回路等效電容，輸出回路等效電容，而探測器結(jié)區(qū)電容而探測器結(jié)區(qū)電容Cd隨反向工作電壓變化，隨反向工作電壓變化，1 2dCV反向工作偏壓的反向工作偏壓的變化會導(dǎo)致輸出變化會導(dǎo)致輸出信號幅度的變化，信號幅度的變化，怎么辦？怎么辦？采用采用電荷靈敏電荷靈敏前置放大器前置放大器這時前置放大器的輸出脈沖幅度為，這時前置放大器的輸出脈沖幅度為，max(1)dffNeNeVACCA CC 電荷靈敏前置放大器等效輸入電阻：電荷靈敏前置放大器等效輸入電阻：(1)(1)1iffiifRRARRRRAAf

20、C( )ov t( )iv tfRdiCCCC(1)dfCCA C探測器輸出回路等效電容：探測器輸出回路等效電容：等效輸出回路等效輸出回路RC ：(1)1ffffRRCA CC RA輸出回路等效電阻：輸出回路等效電阻：/ / /daiRRRR1fRA電荷靈敏前置放大器輸出脈沖后沿按照電荷靈敏前置放大器輸出脈沖后沿按照Rf Cf指數(shù)下降指數(shù)下降:910fR1210FfC310 sec.ffR CPNEx輸出電壓脈沖上升前輸出電壓脈沖上升前沿隨電子空穴產(chǎn)生位沿隨電子空穴產(chǎn)生位置變化。置變化。會引起定時誤差。會引起定時誤差。輸出脈沖的形狀：輸出脈沖的形狀：四P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測器的性能與應(yīng)用(1)

21、統(tǒng)計漲落的影響統(tǒng)計漲落的影響 探測器的能量分辨率為，探測器的能量分辨率為，2.3552.355NF wEN2NEF NFw 入射粒子產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)服從法諾分布，入射粒子產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)服從法諾分布，11FWHM2.355EEw F N(2) 探測器和電子學(xué)的噪聲探測器和電子學(xué)的噪聲探測器的噪聲信號探測器的噪聲信號22FWHM2.355ENCEwP-N結(jié)的反向電流：結(jié)的反向電流： 少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流IS ； 結(jié)區(qū)中熱運動產(chǎn)生電子空穴的反向電流結(jié)區(qū)中熱運動產(chǎn)生電子空穴的反向電流IG ； 反向電壓產(chǎn)生漏電流反向電壓產(chǎn)生漏電流 IL ，主要是表面漏電流。，主要是表面漏電流。

22、 電子學(xué)噪聲主要是前置放大器中第一級的噪聲。電子學(xué)噪聲主要是前置放大器中第一級的噪聲。 等效噪聲電荷等效噪聲電荷：放大器輸出端噪聲電壓均方根：放大器輸出端噪聲電壓均方根值等效到輸入端的電荷數(shù)。值等效到輸入端的電荷數(shù)。11FWHM2.355Ew F N電子學(xué)噪聲電子學(xué)噪聲電荷靈敏前置放大器的噪聲參數(shù)：電荷靈敏前置放大器的噪聲參數(shù)： 零電容噪聲零電容噪聲(keV)；噪聲斜率噪聲斜率(keV/pF)。例如：一電荷靈敏前置放大器，零電容噪聲例如：一電荷靈敏前置放大器，零電容噪聲1keV，噪聲斜率，噪聲斜率0.03keV/pF。若探測器電容。若探測器電容100pF，則總的噪聲對譜線的展寬為：，則總的噪聲

23、對譜線的展寬為：21 1000.034keVE 電荷靈敏前置放大器的噪聲與探測器的電容大小有關(guān)！電荷靈敏前置放大器的噪聲與探測器的電容大小有關(guān)！偏壓偏壓探測器探測器結(jié)電容結(jié)電容反向電流反向電流偏壓有最優(yōu)值偏壓有最優(yōu)值(3) 窗厚對能量分辨率的影響窗厚對能量分辨率的影響不同角度入射的帶電粒子穿過探測器的窗不同角度入射的帶電粒子穿過探測器的窗厚度不同，在窗中損失的能量不同，造成厚度不同，在窗中損失的能量不同，造成能譜展寬，能譜展寬，330FWHM()Edd 各種因素對系統(tǒng)能量分辨率的影響，各種因素對系統(tǒng)能量分辨率的影響，222123EEEE (4) 電子空穴電子空穴“陷入陷入”的影響的影響載流子少

24、載流子少電子空穴的復(fù)合并不嚴(yán)重電子空穴的復(fù)合并不嚴(yán)重陷入必須考慮，會影響信號的幅度，并形成小信號。陷入必須考慮，會影響信號的幅度，并形成小信號。在在P-N結(jié)探測器中，載流子的收集時間為結(jié)探測器中，載流子的收集時間為10-910-8s，這是分辨時間的這是分辨時間的極限極限。受制于探測器輸出電流脈沖的寬度。受制于探測器輸出電流脈沖的寬度。，要考慮：，要考慮： 信號是什么時候產(chǎn)生的？信號是什么時候產(chǎn)生的？ 脈沖信號的上升時間。脈沖信號的上升時間。 電壓放大器：電壓放大器：10-910-8s 電流放大器：更小電流放大器：更小 粒子入射與信號產(chǎn)生時刻的關(guān)系？粒子入射與信號產(chǎn)生時刻的關(guān)系？1. 時滯基本為

25、時滯基本為0P-NP-N結(jié)半導(dǎo)結(jié)半導(dǎo)體探測器的體探測器的時間分辨本時間分辨本領(lǐng)為領(lǐng)為nsns級級。過量的輻射會導(dǎo)致：過量的輻射會導(dǎo)致： 漏電流的增加。漏電流的增加。 分辨率變壞。甚至單能射線出現(xiàn)多個峰。分辨率變壞。甚至單能射線出現(xiàn)多個峰。 時間特性變差。時間特性變差。半導(dǎo)體探測器的正常工作有賴于完美的晶體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體探測器的正常工作有賴于完美的晶體結(jié)構(gòu)以減少載流子的陷落，保證完整的電荷收集。以減少載流子的陷落，保證完整的電荷收集。輻射卻有可能破壞這一點，尤其是重帶電粒子。輻射卻有可能破壞這一點，尤其是重帶電粒子。1.) 重帶電粒子的測量重帶電粒子的測量譜儀譜儀 能量能量(MeV)半寬度半寬度(k

26、eV)實驗條件實驗條件參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)面壘探測器面壘探測器5.48011面積面積7mm2，溫度，溫度 30 CP.Siffert, Thesis, Strasbourg(1966).電離室電離室5.68114充氣：氬充氣：氬+0.8%乙炔乙炔Zh. Eksp. Teor. Fiz. 43(1962)426.閃爍計數(shù)器閃爍計數(shù)器5.30595CsI(Tl)Rev. Sci. Instr.31 (1960)974.2.) dE/dX探測器探測器3.) 半導(dǎo)體夾層譜儀半導(dǎo)體夾層譜儀4.) 劑量監(jiān)測劑量監(jiān)測P-N結(jié)型探測器的不足P-N結(jié)型探測器適合測量如結(jié)型探測器適合測量如粒子這樣的短射程粒子，粒子這

27、樣的短射程粒子，但不適合對穿透力較強的射線進(jìn)行測量。但不適合對穿透力較強的射線進(jìn)行測量。P-N結(jié)型探測器結(jié)型探測器靈敏體積的線度靈敏體積的線度一般不超過一般不超過1mm 1MeV的的 粒粒子在硅中的射子在硅中的射程程1.6mm對對 射線的探射線的探測效率太低測效率太低662232.33 3.626.02 1028 =0.18(1/cm)keVANAb10.018tet探測效率：6.1 半導(dǎo)體基本性質(zhì)半導(dǎo)體基本性質(zhì)6.2 均勻型半導(dǎo)體探測器均勻型半導(dǎo)體探測器6.3 P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測器結(jié)型半導(dǎo)體探測器6.5 高純鍺高純鍺HPGe半導(dǎo)體探測器半導(dǎo)體探測器6.6 鋰漂移和鋰漂移和HPGe半導(dǎo)體探測

28、器的性能半導(dǎo)體探測器的性能與應(yīng)用與應(yīng)用6.7 其它半導(dǎo)體探測器其它半導(dǎo)體探測器6.4 P-I-N型半導(dǎo)體探測器PPNNImmcm，V200cm3一鋰的漂移特性及鋰的漂移特性及P-I-N結(jié)的形成結(jié)的形成Li為施主雜質(zhì)，電離能很小為施主雜質(zhì)，電離能很小 0.033eVLi漂移速度漂移速度( )dWT Edt “個頭個頭”小，擴(kuò)散系數(shù)大。小，擴(kuò)散系數(shù)大。 當(dāng)溫度當(dāng)溫度T 增大時，增大時， (T)增大，增大，Li+漂移速度增大。漂移速度增大。 基體用基體用P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體(因為極高純度的材料多是因為極高純度的材料多是P型的型的)，例如，例如摻硼的摻硼的Si或或Ge單晶。單晶。(1) 一端表面蒸一端表

29、面蒸Li，Li離子化為離子化為Li+,形成形成PN結(jié)。結(jié)。(2) 另一端表面蒸金屬，引出電極。另一端表面蒸金屬，引出電極。外加電場，使外加電場，使Li+漂移。漂移。Li+與受主雜質(zhì)與受主雜質(zhì)(如如Ga-)中和，并中和，并可實現(xiàn)自動補償形成可實現(xiàn)自動補償形成 。(3) 形成形成結(jié)，未漂移補償區(qū)仍為結(jié)，未漂移補償區(qū)仍為P，引出電極。，引出電極。PN+IntrinsicFront metallizationOhmic back contactTo positive bias voltage 由硅作為基體的探測器稱為由硅作為基體的探測器稱為Si(Li)探測器，由鍺作為基探測器，由鍺作為基體的探測器稱為

30、體的探測器稱為Ge(Li)探測器。鋰離子是用于漂移成探測探測器。鋰離子是用于漂移成探測器的唯一的離子。器的唯一的離子。Ex/Vdd0鋰離子在外加電場作用下向鋰離子在外加電場作用下向右漂移。右漂移。NLi較大處會引起電場變化，較大處會引起電場變化，加速多余的鋰離子向右漂移。加速多余的鋰離子向右漂移。abLiANN鋰離子漂移區(qū)域不存在空間鋰離子漂移區(qū)域不存在空間電荷，為均勻電場分布。電荷，為均勻電場分布。二鋰漂移探測器的工作原理鋰漂移探測器的工作原理雜質(zhì)濃度雜質(zhì)濃度電荷分布電荷分布電位電位電場電場VC關(guān)于關(guān)于I區(qū)：區(qū)： 完全補償區(qū)，呈電中性為均勻電場；完全補償區(qū)，呈電中性為均勻電場； 為耗盡層，電

31、阻率可達(dá)為耗盡層，電阻率可達(dá)1010 cm；厚度可達(dá)厚度可達(dá)1020mm，為靈敏體積。，為靈敏體積。電容電壓特性電容電壓特性為了降低探測器本身的噪聲和FET的噪聲，同時為降低探測器的表面漏電流，鋰漂移探測器和場效應(yīng)管FET都置于的容器內(nèi)，工作于。由于鋰在鍺中的遷移率較高，由于鋰在鍺中的遷移率較高，以防止以防止離子對離子對 離解，使離解，使Li+沉積而破壞原沉積而破壞原來的補償；來的補償； 由于鋰在硅中的遷移率較低，在由于鋰在硅中的遷移率較低，在下保存而下保存而無永久性的損傷。無永久性的損傷。6.1 半導(dǎo)體基本性質(zhì)半導(dǎo)體基本性質(zhì)6.2 均勻型半導(dǎo)體探測器均勻型半導(dǎo)體探測器6.3 P-N結(jié)型半導(dǎo)體

32、探測器結(jié)型半導(dǎo)體探測器6.4 P-I-N型半導(dǎo)體探測器型半導(dǎo)體探測器6.6 鋰漂移和鋰漂移和HPGe半導(dǎo)體探測器的性能半導(dǎo)體探測器的性能與應(yīng)用與應(yīng)用6.7 其它半導(dǎo)體探測器其它半導(dǎo)體探測器6.5 高純鍺HPGe半導(dǎo)體探測器一一. why HPGe detector？ 鋰漂移探測器需要低溫保存與使用鋰漂移探測器需要低溫保存與使用 生產(chǎn)周期生產(chǎn)周期(鋰漂移時間鋰漂移時間)長：長：3060天天 1980年之后，年之后，Ge(Li)已經(jīng)停止生產(chǎn)，并被已經(jīng)停止生產(chǎn)，并被HPGe所取代所取代 HPGe技術(shù)產(chǎn)生于技術(shù)產(chǎn)生于70年代中期年代中期 Ge的純度可以達(dá)到的純度可以達(dá)到PPT（10-12） Si的純度

33、難以做到這個純度的純度難以做到這個純度二工作原理耗盡層的寬度：耗盡層的寬度：1 22VWeN 純化，純化，N1010原子原子/cm3， 一般半導(dǎo)體的純度為一般半導(dǎo)體的純度為1015/cm3 利用利用HPGe，可使，可使W10mm，形成高純鍺，形成高純鍺(HPGe)探測器探測器大體積靈敏區(qū)：增加工作電壓大體積靈敏區(qū)：增加工作電壓V，降低雜質(zhì)密度，降低雜質(zhì)密度N。高純鍺探測器：高純鍺探測器： P-N結(jié)型探測器，常溫保存，低溫使用。結(jié)型探測器，常溫保存，低溫使用。P-N結(jié)的構(gòu)成 采用高純度的采用高純度的 GeGe單晶單晶 一端表面通過蒸發(fā)擴(kuò)散或加速器離子注入施主一端表面通過蒸發(fā)擴(kuò)散或加速器離子注入施

34、主雜質(zhì)雜質(zhì)( (如磷或鋰如磷或鋰) )形成形成 和和 ，并形成，并形成。 另一端蒸金屬形成另一端蒸金屬形成 ，并作為入射窗。兩端引，并作為入射窗。兩端引出電極。出電極。因為雜質(zhì)濃度極低，相應(yīng)的因為雜質(zhì)濃度極低，相應(yīng)的?？臻g電?？臻g電荷密度很小，荷密度很小，P P區(qū)的區(qū)的。空間電荷分布、電場分布及電位分布電荷分布電荷分布電位電位電場電場高純鍺探測器的特點1) P區(qū)存在空間電荷，區(qū)存在空間電荷，HPGe半導(dǎo)體探測器是半導(dǎo)體探測器是型探測器。型探測器。2) P區(qū)為區(qū)為。3) P區(qū)為區(qū)為，其厚度與外加電壓有關(guān)，其厚度與外加電壓有關(guān)，一般工作于一般工作于。4) HPGe半導(dǎo)體探測器可在半導(dǎo)體探測器可在，

35、。6.1 半導(dǎo)體基本性質(zhì)半導(dǎo)體基本性質(zhì)6.2 均勻型半導(dǎo)體探測器均勻型半導(dǎo)體探測器6.3 P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測器結(jié)型半導(dǎo)體探測器6.4 P-I-N型半導(dǎo)體探測器型半導(dǎo)體探測器6.5 高純鍺高純鍺HPGe半導(dǎo)體探測器半導(dǎo)體探測器6.7 其它半導(dǎo)體探測器其它半導(dǎo)體探測器6.6 高純鍺和鋰漂移探測器的性能與應(yīng)用 對兩種不同對兩種不同的結(jié)構(gòu)形式，的結(jié)構(gòu)形式，由于空間電荷由于空間電荷的作用，靈敏的作用，靈敏體積內(nèi)的電場體積內(nèi)的電場分布是不同的。分布是不同的。單端同軸單端同軸雙端同軸型雙端同軸型表面漏電流表面漏電流較大，增加較大，增加噪聲。噪聲。體積較大，靈敏區(qū)體積較大，靈敏區(qū)體積可達(dá)體積可達(dá) 750cm

36、3，用于，用于 射線的探測。射線的探測。體積較小體積較小(1030cm3)，厚度，厚度一般小于一般小于2.0cm，常用于低能，常用于低能 或或X射線的探測。射線的探測。雙端同軸雙端同軸單端同軸型單端同軸型電場徑向一電場徑向一致性較差致性較差(角角落處落處)通過磨圓、加長通過磨圓、加長內(nèi)芯電極可加以內(nèi)芯電極可加以改善。改善。 載流子：電子和空穴。載流子：電子和空穴。 漂移速度很快，電子數(shù)倍于空穴，載流子收集時間短，可獲得快上漂移速度很快，電子數(shù)倍于空穴，載流子收集時間短，可獲得快上升時間的電壓脈沖。升時間的電壓脈沖。 但上升時間與入射粒子的位置有關(guān)，是但上升時間與入射粒子的位置有關(guān)，是的輸出電壓

37、脈沖。的輸出電壓脈沖。 但總電荷量與位置無關(guān)，采用電荷靈敏前放可獲得同樣輸出電壓。但總電荷量與位置無關(guān)，采用電荷靈敏前放可獲得同樣輸出電壓。平面型探測器平面型探測器同軸型探測器同軸型探測器可與電離室的輸出信號進(jìn)行類比可與電離室的輸出信號進(jìn)行類比其中：其中：222123EEEE 為載流子數(shù)的漲落。為載流子數(shù)的漲落。12.36EFE22.36 ()EENC探測器及電子儀器噪聲；探測器及電子儀器噪聲； 3E為載流子由于陷阱效應(yīng)帶來的漲落，為載流子由于陷阱效應(yīng)帶來的漲落，通過適當(dāng)提高偏置電壓減小。通過適當(dāng)提高偏置電壓減小。 Si(Li)和和Ge(Li)平面型探測器多平面型探測器多用于低能用于低能 (X)射線的探測，其射線的探測，其能量分辨率常以能量分辨率常以55Fe的衰變產(chǎn)的衰變產(chǎn)物物55Mn的的KX能量能量5.95KeV為為標(biāo)準(zhǔn)，一般指標(biāo)約：標(biāo)準(zhǔn)，一般指標(biāo)約：160