半導體探測器最新進展

1、半導體探測器最新進展半導體探測器最新進展 核輻射探測器的原理核輻射探測器的原理 半導體探測器的發(fā)展半導體探測器的發(fā)展 半導體探測器的原理半導體探測器的原理 半導體探測器的最新應用半導體探測器的最新應用2 核輻射探測的基本原理是借助粒子與宏觀物質(zhì)的核輻射探測的基本原理是借助粒子與宏觀物質(zhì)的相互作用。相互作用。一般來講，粒子（或各種輻射）穿過探測介質(zhì)一般來講，粒子（或各種輻射）穿過探測介質(zhì)時，借助于各種相互作用產(chǎn)生了電荷或光子。電荷時，借助于各種相互作用產(chǎn)生了電荷或光子。電荷借助于電場或磁場而被導向電極收集，光子則借助借助于電場或磁場而被導向電極收集，光子則借助于各種光學辦法接收到光電轉(zhuǎn)換器或接收

2、器上。于各種光學辦法接收到光電轉(zhuǎn)換器或接收器上。一、核輻射探測器原理一、核輻射探測器原理3 4帶電粒子帶電粒子中性粒子中性粒子電磁相互作用電磁相互作用轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化電子電子離子離子可見光可見光轉(zhuǎn)化為電信號轉(zhuǎn)化為電信號收集收集放大放大接收接收處理輸出處理輸出電腦電腦二、半導體探測器的發(fā)展二、半導體探測器的發(fā)展 麥凱首次提出用半導體探測射線（麥凱首次提出用半導體探測射線（19491949） 19561956年開始被用作年開始被用作粒子探測粒子探測 硅硅P-NP-N結(jié)半導體探測器（結(jié)半導體探測器（19601960） 硅鋰漂移半導體探測器（硅鋰漂移半導體探測器（19601960） 鍺鋰漂移半導體探測器（鍺鋰

3、漂移半導體探測器（19621962） 高純鍺（高純鍺（HPGeHPGe）半導體探測器（）半導體探測器（7070年代）年代） 化合物半導體探測器（化合物半導體探測器（9090年代末）年代末） 邁耶邁耶（1814-18781814-1878）三、半導體探測器的原理三、半導體探測器的原理1、P-N結(jié)半導體探測器結(jié)合前：結(jié)合前：N N區(qū)的電子比區(qū)的電子比P P區(qū)多，區(qū)多，P P區(qū)的空穴比區(qū)的空穴比N N區(qū)多。區(qū)多。結(jié)合后：結(jié)合后：電子由電子由N N區(qū)向區(qū)向P P區(qū)擴散與區(qū)擴散與空穴復合；空穴由空穴復合；空穴由P P區(qū)向區(qū)向N N區(qū)擴散區(qū)擴散與電子復合。剩下的雜質(zhì)正負離與電子復合。剩下的雜質(zhì)正負離子形成

4、空間電荷區(qū)，其內(nèi)建電場子形成空間電荷區(qū)，其內(nèi)建電場方向由方向由N N區(qū)指向區(qū)指向P P區(qū)，阻止電子、區(qū)，阻止電子、空穴繼續(xù)擴散。結(jié)果形成穩(wěn)定的空穴繼續(xù)擴散。結(jié)果形成穩(wěn)定的PNPN結(jié)結(jié) 加反向電壓，N區(qū)接正， P區(qū)接負，外加電場方向與內(nèi)建電場方向相同，使結(jié)區(qū)寬度增加。當帶電粒子穿過時產(chǎn)生電子空穴對，在高電場下分別向正負電極漂移，產(chǎn)生信號。應用：帶電重粒子測量。2、鋰漂移半導體探測器（、鋰漂移半導體探測器（x、射線探測）射線探測）基體用基體用P P型半導體，再摻雜，例如摻硼的型半導體，再摻雜，例如摻硼的SiSi或或GeGe單晶。單晶。(1) (1) 一端表面蒸一端表面蒸LiLi，LiLi離子化為離

5、子化為LiLi+ +, ,形成形成PNPN結(jié)。結(jié)。(2)(2)外加電場，使外加電場，使LiLi+ +漂移。漂移。LiLi+ +與受主雜質(zhì)與受主雜質(zhì)( (如如B B- -) )中和，形成中和，形成本征層。本征層。鋰漂移型探測器是準本征材料和鋰漂移型探測器是準本征材料和PNPN結(jié)的組合。結(jié)的組合。PN+Intrinsic SemiFront metallizationTo positive bias voltageFront metallization3、化合物、化合物(CdZnTe)半導體探測器半導體探測器(射線射線) 當射線與當射線與CdZnTeCdZnTe晶體發(fā)生相互晶體發(fā)生相互作用時，產(chǎn)生

6、的光電子和康普頓電作用時，產(chǎn)生的光電子和康普頓電子等帶電粒子把子等帶電粒子把CdZnTeCdZnTe化合物半導化合物半導體滿帶（價帶）中的電子激發(fā)到導體滿帶（價帶）中的電子激發(fā)到導帶，滿帶出現(xiàn)帶正電的載流子帶，滿帶出現(xiàn)帶正電的載流子空空穴，導帶出現(xiàn)帶負電的載流子穴，導帶出現(xiàn)帶負電的載流子電電子，即電子子，即電子空穴對。電子和空穴空穴對。電子和空穴在探測器兩電極上外加電場的作用在探測器兩電極上外加電場的作用下向正負電極漂移，在電極上感應下向正負電極漂移，在電極上感應出電荷，電荷的積累形成電信號。出電荷，電荷的積累形成電信號。4、單光子雪崩光電二極管探測器、單光子雪崩光電二極管探測器 雪崩光電二極

7、管（雪崩光電二極管（APDAPD）是一種在）是一種在PNPN結(jié)上進行重摻雜而形結(jié)上進行重摻雜而形成的光電探測器，基于碰撞電離和雪崩倍增的物理機制對光電成的光電探測器，基于碰撞電離和雪崩倍增的物理機制對光電流進行放大。在反偏壓下，流進行放大。在反偏壓下，APDAPD的的PNPN結(jié)區(qū)存在強電場，光子入結(jié)區(qū)存在強電場，光子入射后激發(fā)的自由載流子受到強電場的作用而進行快速漂移，因射后激發(fā)的自由載流子受到強電場的作用而進行快速漂移，因而具備極高的概率與晶格發(fā)生碰撞電離，產(chǎn)生新的電子空穴對而具備極高的概率與晶格發(fā)生碰撞電離，產(chǎn)生新的電子空穴對，新生的電子空穴對繼續(xù)碰撞晶格，碰撞電離繼續(xù)發(fā)生，新的，新生的電

8、子空穴對繼續(xù)碰撞晶格，碰撞電離繼續(xù)發(fā)生，新的電子空穴對也不斷產(chǎn)生，電子空穴對也不斷產(chǎn)生，PNPN結(jié)內(nèi)的自由載流子越聚越多，形成結(jié)內(nèi)的自由載流子越聚越多，形成雪崩倍增。雪崩倍增。 單個光子入射到單光子雪崩光電二極管（單個光子入射到單光子雪崩光電二極管（SPADSPAD）表面）表面時，通過光電效應激發(fā)出一個載流子，進而觸發(fā)雪崩過時，通過光電效應激發(fā)出一個載流子，進而觸發(fā)雪崩過程，引起一個非常大的雪崩信號，從而實現(xiàn)單個光子的程，引起一個非常大的雪崩信號，從而實現(xiàn)單個光子的探測。探測。四、半導體探測器的最新應用四、半導體探測器的最新應用1 1、電荷耦合器件探測器、電荷耦合器件探測器CCDCCD CCD

9、 CCD的結(jié)構(gòu)是在一塊硅片上集成很多的的結(jié)構(gòu)是在一塊硅片上集成很多的MOS(MOS(金屬氧金屬氧化物半導體化物半導體) )器件，每個器件，每個MOSMOS器件類似一個小半導體探器件類似一個小半導體探測器。測器。2、像素探測器、像素探測器(Pixel) 像素像素(Pixel) (Pixel) 探測器是由許多精心設計非常小的探測器是由許多精心設計非常小的PN PN 結(jié)組成的結(jié)組成的, , 它能夠非?？斓奶峁┬畔ⅰＣ恳粋€小它能夠非?？斓奶峁┬畔?。每一個小室室(cell) (cell) 都連接它自己的讀出電子學。都連接它自己的讀出電子學。3 3、硅微條探測器、硅微條探測器 硅微條探測器是在一個硅微條探測器是在一個n n型硅基半導體的表面上附著一型硅基半導體的表面上附著一條條重摻雜條條重摻雜p+p+型微條，將整個硅基底面做成重摻雜的型微條，將整個硅基底面做成重摻雜的n+n+層而層而制成的。整個硅微條探測器實際上就是一些平行的制成的。整個硅微條探測器實際上就是一些平行的PNPN結(jié)。結(jié)。 丁肇中先生領(lǐng)導的丁肇中先生領(lǐng)導的AMSAMS組組, , 將將磁譜儀磁譜儀AMS(Alpha AMS(Alpha Magnetic Spectromenter)Magnetic Spectromenter)送到國際空間站送到國際空間站, , 在宇宙線在宇宙線中尋找反物質(zhì)和暗物質(zhì)。中尋找反物質(zhì)和暗物質(zhì)。