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
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