第五講半導體探測器

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1、第五講半導體探測器2一能帶論常用半導體材料：Si、Ge(IV族元素)除此還有：GaAs、CdTe、HgI、CdZnTe、CdSe 砷化鎵 碲化鎘 碘化汞 碲鋅鎘 硒化鎘電阻率：導體10-5cm一下；絕緣體10-14cm以上；半導體10-2cm 109cm。半導體一般以晶體形式存在。晶體分為單晶和多晶。作為探測器的半導體以及閃爍體大多數都是單晶材料。3固體的導電性能可以用能帶論解釋。絕緣體室溫下，Si的Eg為，Ge的Eg為0.67eV.導體導帶滿帶禁帶Eg 510eV2eVEg41、本征半導體理想的、純凈的半導體。半導體中由于熱運動產生的電子和空穴濃度：kTEpng2exp1019禁帶寬度：eV

2、12.1K)300Si(gEeV67.0K)300Ge(gE室溫下的本征硅，310cm/102 pn 本征鍺，313cm/104.2 pn半導體中的載流子密度大小，隨溫度變化。溫度高，Eg小，載流子濃度高。（K為波爾茨曼常量）52、雜質半導體 在半導體材料中有選擇地摻入一些雜質。雜質原子在半導體禁帶中產生局部能級，影響半導體的性質。3、施主雜質和施主能級 V族元素，如P、As（砷）、Sb（銻）、Li（鋰）能級接近導帶底端能量；室溫下熱運動使雜質原子離化；離化產生的電子進入導帶。摻有施主雜質的半導體中多數載流子是電子，叫做N型半導體。施主能級施主能級靠近導帶底部，對于鍺僅為；對于硅，P、As為，

3、銻為，Li為0.03eV.64、受主雜質和受主能級 III族元素，如B、Al、Ga（鎵）、In（銦）。能級接近滿帶頂端能量；室溫下滿帶中電子容易躍遷這些能級上；在滿帶中出現空穴。摻有受主雜質的半導體中多數載流子是空穴，叫做P型半導體。受主能級受主能級靠近價帶頂部，對于鍺僅為；對于硅，硼為，鋁為，鎵為0.07eV.71、載流子密度 半導體中電子和空穴的密度乘積為，kTECpnGexp 因此，本征半導體的載流子密度ni、pi和雜質半導體的載流子密度n、p滿足，22iipnpn2、補償效應 N型半導體，施主雜質幾乎全部電離，n p。83、平均電離能 入射粒子在半導體介質中平均產生一對電子空穴需要的能

4、量。半導體中的平均電離能與入射粒子能量無關。300K，w 77K，w，w。如果在N型半導體中加入受主雜質，pnpn不變 當p n，N型半導體轉化為P型半導體。叫做補償效應。當p=n，完全補償。9當電場升高時，漂移速度隨電場的增加速率變慢；當E 1045V/cm時：達到飽和漂移速度107cm/sec.4、載流子的遷移率 300K，(Si)77K，(Si)secVcm102.123nsecVcm101.224n遷移率隨溫度下降而上升，300K，(Ge)secVcm109.323nsecVcm109.123p電子遷移率與空穴遷移率相差倍數，EwnnEwpp當E 103V/cm時：10空穴在Ge中的漂

5、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。電場強度較小時，u與場強成正比；電場強度較大時，u隨場強增加速度變慢。電子在Si中的漂移速度11 摻雜會大大降低半導體材料的電阻率；降低半導體材料溫度可以提高電阻率。5、電阻率)(1pnpne 電阻率與電子、空穴濃度及其遷移率有關，cm (Si)=2.3105；(Ge)=50100cm 通過補償效應，可以提高電阻率；完全補償時，n=p，電阻率最高。12 半導體探測器需要載流子的漂移長度大于靈敏體積的長度。6、載流子壽命載流子從產生到消失(俘獲、復合)的平均時間間隔。EL 載流子的漂移長度：高純度的半導

6、體Si和Ge：103sec.半導體探測器材料：長載流子壽命；高電阻率(漏電流小，結電容小)。13一工作原理二P-N結型半導體探測器的類型三輸出信號四P-N結型半導體探測器的性能與應用為什么要用P-N結？25cm1cm1.010V100SlVIA01.0141、P-N結(勢壘區)的形成 在P型半導體上摻雜，通過補償效應，轉化為N型半導體，形成P-N結。由于密度的差異，電子和空穴朝著密度小的方向擴散。擴散的結果形成空間電荷區，建立起自建電場。EPN 在自建電場的作用下，擴散與漂移達到平衡。形成P-N結區，也叫勢壘區、耗盡區。15 少數能量較高的電子空穴會穿過勢壘區擴散到對方區域，形成正向電流 If

7、 。fIeWgIG 由于熱運動在勢壘區產生電子空穴，在自建電場作用下形成反向電流 IG，GISI,擴散到勢壘區的少數載流子在電場作用下也會形成反向電流 IS。達到平衡時，SGfIIIEPN162、外加電場下的P-N結在外加反向電壓時的反向電流：少數載流子的擴散電流，結區面積不變，IS 不變；結區體積加大，熱運動產生電子空穴多，IG 增大；反向電壓產生漏電流 IL，主要是表面漏電流。在P-N結上加反向電壓，由于結區電阻率很高，電位差幾乎都降在結區。E 反向電壓形成的電場與自建電場方向一致。外加電場使結區寬度增大。反向電壓越高，結區越寬。PN173、勢壘區的電場分布 在高電阻率半導體材料表面摻雜形

8、成勢壘區。勢壘區中的電場：)(4)()(xWeNdxxdVxEd 空間電荷密度為，deNx)(aeNx)(10dx 02xddaNdNd12 由于空間電荷數相等：E(x)184、勢壘區的寬度可以得到勢壘高度：202WeNVd所以，勢壘區的寬度：2102deNVW 對電場積分，可以得到勢壘分布：22)(2xWWeNVdE(x)195、結區電容 根據結區電荷隨外加電壓的變化率，可以計算得到單位面積的結區電容：212214VeNWCdd 結區電容隨外加電壓變化而變化，外加電壓的不穩定可以影響探測器輸出電壓幅度的不穩定。21)(5.0VW:SiN型m21)(3.0VW:SiP型m214)(108.1V

9、Cd:SiN型pF/cm2:SiP型214)(103VCdpF/cm220Si例如：mm10),Au(Sicm3600的質子。測量 MeV5問：反向工作電壓？結區厚度？結區電容？W=200m C=51pF V=45V確定耗盡層厚度及電容與電阻率和反向偏壓的函數關系的列線圖21擴散結型探測器面壘型探測器 在N型Si上蒸薄Au，透過Au層的氧化作用，形成P型氧化層。叫做金硅面壘探測器，Si(Au)。入射窗薄，噪聲小，分辨率高。易于做成大面積均勻探測器，或做成很薄的dE/dX探測器。光敏，耐高溫特性不好。把施主雜質(P)擴散到P型Si材料中，形成P-N結。用高溫擴散和離子注入的方法，通過控制擴散溫度

10、和擴散時間，得到1m以下的薄入射窗。性能穩定，高溫使載流子壽命減小，窗損失能量。1、PN結型半導體探測器22離子注入型 利用離子注入參雜法形成P-N結。加速器產生具有一定能量的正離子直接穿透半導體表面形成PN結，通常是用硼離子轟擊N型硅，或者磷離子轟擊P型硅。優點：對環境和真空很穩定；入射窗極薄。缺點：由于入射離子產生的強輻射損傷，形成大量的復合俘獲中心，使得能量分辨率不如面壘型的好。231、輸出回路PN)(tICR)(tVSRSCiCiRCaRdCdR)(tIDiCiRaRCiadRRRR/idCCCC242、輸出電流脈沖與電荷收集時間 探測器中電子的漂移速度，)(4xWeNEdtdrdnn

11、從電子產生位置x0到x積分，可以得到電子漂移時間，xWxWtn0ln4馳豫時間：eNdn1 電子感應電流，txWWeNtIdn8exp)(8)(20225 認為電子漂移到處就把電子電荷全部收集，則電子的收集時間為，WxWtcn01.0ln40通常，電子和空穴的最大收集時間為，.sec109cnt.sec108cpt 空穴漂移引起的感應電流：txWWeNtInpnpdp8exp)(8)(20246.400 x最大收集時間263、輸出電壓幅度 當RCtcn時，探測器輸出電壓脈沖幅度為，CNeVmax這時，輸出電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RC指數規律下降。idCCCC 輸出

12、回路等效電容，而探測器結區電容Cd隨反向工作電壓變化，21VCd27采用電荷靈敏前置放大器。這時前置放大器的輸出脈沖幅度為，ffdCNeACACCNeV)1(max 電荷靈敏前置放大器等效輸入電阻：ARARRARRRffifii1)1()1(fC)(tvo)(tvifRidCCCCfdCACC)1(探測器輸出回路等效電容：28等效輸出回路RC：ffffRCARCARC1)1(輸出回路等效電阻：/iadRRRR ARf1電荷靈敏前置放大器輸出脈沖后沿按照Rf Cf指數下降:910fRF1012fCsec.103ffCR291、能量分辨率(1)輸出脈沖幅度譜的統計漲落 探測器的能量分辨率為，EwF

13、NN355.2355.2wEFNFN2 入射粒子產生的電子空穴對數服從法諾分布，NFwEE355.2FWHM1130(2)探測器和電子學的噪聲 反向電流的漲落構成探測器的噪聲信號。ENC355.2FWHM22wEP-N結的反向電流：少數載流子的擴散電流IS；結區中熱運動產生電子空穴的反向電流IG；反向電壓產生漏電流 IL，主要是表面漏電流。電子學噪聲主要是前置放大器中第一級的噪聲。等效噪聲電荷ENC：放大器輸出端噪聲電壓均方根值等效到輸入端的電荷數。NFwE355.2FWHM11比較：31電荷靈敏前置放大器的噪聲參數：零電容噪聲(keV)；噪聲斜率(keV/pF)。例如：一電荷靈敏前置放大器，

14、零電容噪聲1keV，噪聲斜率。與反向電流有關的噪聲隨偏壓V增加；探測器結電容隨偏壓V增加而減??；總噪聲電壓隨偏壓V有極小值。keV403.010012E 若探測器電容100pF，則總的噪聲對譜線的展寬為：32(3)窗厚對能量分辨率的影響2、分辨時間3、輻照壽命4、P-N結型半導體探測器的應用 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，造成能譜展寬，)(FWHM033ddE 各種因素對系統能量分辨率的影響，232221EEEE33一工作原理二輸出信號與主要性能三 P-I-N型半導體探測器的應用為什么要發展P-I-N型探測器？1MeV的粒子在硅中的射程2mm，而P-N結型

15、探測器靈敏體積的線度一般不超過。P-N結型探測器探測和的效率太低。34 帶正電的鋰離子與帶負電的受主離子結合成中性的正負離子對。由于補償作用，形成本征區。構成P-I-N結構。PNE 在高電阻率的P型半導體材料表面摻入鋰原子，制成P-N結。Li在Si和Ge中有較高的遷移率和電離能（在Si中，Ge中0.01eV)，所以在室溫下全部電離。Li離子的半徑很?。ǎ?，所以很容易以較大的速度穿過晶格（、）深入進去。在高溫下，外加反向電場，使鋰離子沿電場方向擴散。I 35E 本征區I 電子空穴密度相等，IIpn PNI N區和P區多數載流子密度遠遠大于少數載流子密度，NNpnPPpn 存在不等式：PINnnn

16、PINppp 多數載流子擴散，出現空間電荷。I區是耗盡區，電阻率很大，叫做本征區?？臻g電荷建立電場，阻止多數載流子進一步擴散。36ExdV/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。abALiNN 鋰離子漂移區域不存在空間電荷，為均勻電場分布。37 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38鋰漂移探測器的輸出信號ut39探測效率絕對總效率Nnst放射源發出的粒子數數探測器記錄到的全譜計絕對峰效率Nnpsp放射源發出的粒子數計數探測器記錄到的全能峰本征總效率

17、DintNn進入探測器的粒子數數探測器記錄到的全譜計本征峰效率DpinpNn進入探測器的粒子數計數探測器記錄到的全能峰40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 41三 P-I-N型半導體探測器的應用 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 與正比計數器的比較 與晶體衍射譜儀的比較 3、半導體譜儀在核物理實驗中的應用 4、半導體譜儀在工業技術中的應用42要求低溫條件：室溫下，離子對會離解；降低反向電流和噪聲。43一工作原理二主要性能與應用為什么要發展HPGe探測器？鋰漂移探測器需要低溫保存與使用。生產周期(鋰漂移時間)長。44耗盡

18、層的寬度：212eNVW 純化，N1010原子/cm3，達W10mm，高純鍺(HPGe)探測器。大體積靈敏區：增加工作電壓V，降低雜質密度N。高純鍺探測器：P-N結型探測器，常溫保存，低溫使用。補償，鋰漂移型探測器。45靈敏區厚度：510 mm ：E 220 MeV p：Ep 60 MeV ：300 600 keV 工作在全耗盡狀態；液氮溫度77K。形成P+-P-n+結構。P型區存在電荷，電場強度不均勻。平面型HPGe探測器4647 同軸型靈敏區體積大，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，通過磨圓、加長內芯電極加以改善。48491、能量分辨率：同軸型測量的分辨率：1.52.；Si(Li)、Ge(Li)測量x：160。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：峰頂計數與康普頓坪平均計數之比，2080。4、電流脈沖寬度：109108 sec.。50NaI(Tl)和Ge(Li)的108Ag和110Ag能譜