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第四章半导体探测器 SemiconductorDetector 半导体探测器的基本原理是带电粒子在半导体探测器的灵敏体积内产生电子 空穴对 电子 空穴对在外电场的作用下漂移而输出信号 我们把气体探测器中的电子 离子对 闪烁探测器中被PMT第一打拿极收集的电子及半导体探测器中的电子 空穴对统称为探测器的信息载流子 产生每个信息载流子的平均能量分别为30eV 气体探测器 300eV 闪烁探测器 和3eV 半导体探测器 半导体探测器的特点 1 能量分辨率最佳 2 射线探测效率较高 可与闪烁探测器相比 常用半导体探测器有 1 P N结型半导体探测器 重带电粒子 2 锂漂移型半导体探测器 和低能x射线 3 高纯锗半导体探测器 射线 4 0半导体的基本知识1 固体的导电性 物体导电是物体内电子在外电场作用下定向运动的结果 2 导体 半导体 绝缘体的能带由于电场力对电子的作用 使电子的运动速度和能量发生变化 从能带论来看 电子能量变化就是电子从一个能级跃迁到另一个能级上 满带 能级已被电子所占满 一般外电场作用时 其电子不形成电流 对导电没有贡献 亦称价带 导带 能带被电子部分占满 在外电场作用下 电子从外电场吸收能量跃迁到未被电子占据的能级上去 形成电流 起导电作用 禁带 满带和导带之间的禁区称为禁带 其宽度也称为能隙 记做Eg 导体 半导体和绝缘体之间的差别在于禁带宽度不同 导体不存在禁带 满带和导电交织在一起 半导体禁带较窄 Eg 0 1 2 2eV绝缘体禁带较宽 Eg 2 10eV由于能带取决于原子间距 所以Eg与温度和压力有关 一般禁带宽度大的材料 耐高温性能和耐辐照性能好 4 1半导体的基本性质 1 本征半导体和杂质半导体 1 本征半导体 由于热运动而产生的载流子浓度称为本征载流子浓度 且导带中的电子数和价带中的空穴数严格相等 常用半导体材料为硅 Si 和锗 Ge 均为IV族元素 理想 无杂质的半导体 固体物理理论已证明半导体内的载流子平衡浓度为 ni和pi为单位体积中的电子和空穴的数目 下标 i 表示本征 Intrinsic 材料 T为材料的绝对温度 EG为能级的禁带宽度 2 杂质半导体 杂质类型 替位型 间隙型 1 替位型 III族元素 如B 硼 Al 铝 Ga 镓 等 V族元素 如P 磷 As 砷 Sb 锑 等 2 间隙型 Li 可在晶格间运动 3 施主杂质 Donorimpurities 与施主能级 施主杂质为V族元素 其电离电位ED很低 施主杂质的能级一定接近禁带顶部 即导带底部 在室温下 这些杂质原子几乎全部电离 由于杂质浓度远大于本征半导体导带中的电子浓度 多数载流子为电子 杂质原子成为正电中心 掺有施主杂质的半导体称为N型半导体 4 受主杂质 Acceptorimpurities 与受主能级 受主杂质为III族元素 其电离电位EA很低 受主杂质的能级一定很接近禁带底部 即价带顶部 室温下价带中电子容易跃迁这些能级上 在价带中出现空穴 所以 此时多数载流子为空穴 杂质原子成为负电中心 掺有受主杂质的半导体称为P型半导体 Dopingwithvalence5atoms Dopingwithvalence3atoms N typesemiconductor P typesemiconductor 对N型半导体 n p 可以加入受主杂质 使之成为本征半导体 此时n p ni 也称为 准本征半导体 进一步加入受主杂质 可变为P型半导体 即p n 对本征半导体 对杂质半导体 2 载流子浓度和补偿效应 3 半导体作为探测介质的物理性能 1 平均电离能 w 入射粒子在半导体介质中平均产生一对电子空穴需要的能量 半导体中的平均电离能与入射粒子能量无关 在半导体中消耗能量为E时 产生的载流子数目N为 2 载流子的漂移 由于电子迁移率 n和空穴迁移率 p相近 与气体探测器不同 不存在电子型或空穴型半导体探测器 对N型半导体 电子的漂移速度为 对P型半导体 空穴的漂移速度为 电场较高时 漂移速度随电场的增加较慢 最后达到载流子的饱和速度 107cm s 3 电阻率与载流子寿命 半导体电阻率 本征电阻率 掺杂将大大降低半导体的电阻率 对硅来说掺杂对电阻率的影响比锗显著得多 当半导体材料被冷却到液氮温度时将大大提高电阻率 载流子寿命 载流子在俘获以前 可在晶体中自由运动的时间 只有当漂移长度大于灵敏体积的长度才能保证载流子的有效收集 对高纯度的Si和Ge 10 3s 决定了Si和Ge为最实用的半导体材料 高的电阻率和长的载流子寿命是组成半导体探测器的关键 对半导体探测器材料的基本要求 4 2P N结半导体探测器 1 P N结半导体探测器的工作原理 1 P N结区 势垒区 的形成 多数载流子扩散 空间电荷形成内电场并形成结区 结区内存在着势垒 结区又称为势垒区 势垒区内为耗尽层 无载流子存在 实现高电阻率 达 远高于本征电阻率 结合前 N区的电子比P区多 P区的空穴比N区多 结合后 电子由N区向P区扩散与空穴复合 空穴由P区向N区扩散与电子复合 扩散的结果形成PN结 在PN结区 电子空穴很少 剩下的杂质正负离子形成空间电荷区 其内建电场方向由N区指向P区 阻止电子 空穴继续扩散 并造成少数载流子的反向漂移运动 当扩散运动和反向漂移运动达到平衡时 P区或N区的电子空穴浓度就不再变化 这个由杂质离子组成的空间电荷区 即PN结区 亦称耗尽区 阻挡层 势垒区 2 外加电场下的P N结 在P N结上加反向电压 由于结区电阻率很高 电位差几乎都降在结区 反向电压形成的电场与内电场方向一致 外加电场使结区宽度增大 反向电压越高 结区越宽 PN结的偏压特性 加反向电压 N区接正 P区接负 外加电场方向与内建电场方向相同 使耗尽层增厚 漂移运动增强 当带电粒子穿过时产生电子 空穴对 在高电场下分别向正负电极漂移 产生信号 信号幅度正比于电子空穴对数目 正比于入射粒子损失能量 所以加反向偏压的PN结就是结型半导体探测器的灵敏区 半导体探测器的灵敏区 为什么半导体PN结可作为灵敏区 1 在PN结区可移动的载流子基本被耗尽 只留下电离了的正负电中心 对电导率无贡献 其具有很高的电阻率 2 PN结加上一定负偏压 耗尽区扩展 可达全耗尽 死层极薄 外加电压几乎全部加到PN结上 形成很高电场 3 漏电流很小 有很好的信噪比 2 P N结半导体探测器的特点 1 结区的空间电荷分布 电场分布及电位分布 P N结内N区和P区的电荷密度分别为 式中ND和NA分别代表施主杂质和受主杂质浓度 a b则代表空间电荷的厚度 一般a b不一定相等 取决于两边的杂质浓度 耗尽状态下结区总电荷为零 即NDa NAb 电场为非均匀电场 电位分布可由电场积分得到 2 结区宽度与外加电压的关系 当x 0时 P区和N区的电位应相等 即 又因 所以 耗尽区的总宽度 一般可写成 Ni为掺杂少的一边的杂质浓度 3 结区宽度的限制因素 受材料的击穿电压的限制 受暗电流的限制 因为 4 结电容随工作电压的变化 根据结区电荷随外加电压的变化率 可以计算得到结区电容 结区电容随外加电压变化而变化 外加电压的不稳定可以影响探测器输出电压幅度的不稳定 即 2 P N结半导体探测器的类型 1 扩散结 DiffusedJunction 型探测器 采用扩散工艺 高温扩散或离子注入 材料一般选用P型高阻硅 电阻率为1000 在电极引出时一定要保证为欧姆接触 以防止形成另外的结 2 金硅面垒 SurfaceBarrier 探测器 一般用N型高阻硅 表面蒸金50 100 g cm2氧化形成P型硅 而形成P N结 工艺成熟 简单 价廉 2 面垒型 金硅面垒探测器优点 窗薄 噪声低 不经高温处理 能量分辨率高 能量线性响应好 工艺简单 成品率高 易于制得大面积探测器 主要用于测量质子 粒子和重离子等带电粒子 3 半导体探测器的输出信号 1 输出回路 须考虑结电阻Rd和结电容Cd 结区外半导体材料的电阻和电容RS CS 2 输出信号 当R0 Cd Ca tc tc为载流子收集时间 时 为电压脉冲型工作状态 辐射在灵敏体积内产生的电子 空穴对数 但是 由于输出电压脉冲幅度h与结电容Cd有关 而结电容随偏压而变化 因此当所加偏压不稳定时 将会使h发生附加的涨落 不利于能谱的测量 为解决该矛盾 PN结半导体探测器通常不用电压型或电流型前置放大器 而是采用电荷灵敏前置放大器 电荷灵敏放大器的输入电容极大 可以保证C入 Cd 而C入是十分稳定的 从而大大减小了Cd变化的影响 若反馈电容和反馈电阻为Cf和Rf 则输出脉冲幅度为 输出回路的时间常数为 3 载流子收集时间 由于在边界 电场强度趋于0 定义载流子扫过x 0 99W的距离的时间为载流子收集时间 可以获得快的上升时间 4 主要性能 主要用于测量重带电粒子的能谱 如 p等 一般要求耗尽层厚度大于入射粒子的射程 1 能量分辨率 影响能量分辨率的因素为 1 输出脉冲幅度的统计涨落 式中 F为法诺因子 对Si F 0 143 对Ge F 0 129 w为产生一个电子 空穴对所需要的平均能量 能量分辨率可用FWHM表示 FWHM或 E称为半高宽或线宽 单位为 KeV 以210Po的E 5 304MeV的 粒子为例 对一种PN结探测器 由于输出脉冲幅度的统计涨落引起的线宽为 2 探测器和电子学噪声 探测器的噪声由P N结反向电流及表面漏电流的涨落造成 电子学噪声主要由第一级FET构成 包括 零电容噪声和噪声斜率 噪声的表示方法 等效噪声电荷ENC 即放大器输出噪声电压的均方根值等效于放大器输入端的噪声电荷 以电子电荷为单位 由于噪声叠加在射线产生的信号上 使谱线进一步加宽 参照产生信号的射线的能量 用FWHM表示 其单位就是KeV 例如 ENC 200电子对 由噪声引起的线宽为 入射粒子通过探测器灵敏区之前的非耗尽层厚度称为窗厚 3 窗厚度的影响 式中为单位窗厚度引起的能量损失 假设入射带电粒子在窗材料中射程 则两种入射情况下 在灵敏区损失的能量差为 式中 E1是用能量损失表示的窗厚 4 空气的影响入射带电粒子从放射源发出到进入探测器灵敏体积要经过空气层并在其中损失一部分能量 造成输出脉冲幅度减小 谱峰有个低能尾部 从而使分辨率变差 测能谱时可以把放射源尽可能靠近探测器 且还可以抽真空 把探测器放在真空中 从而可忽略空气的吸收 2 分辨时间与时间分辨本领 3 能量线性很好 与入射粒子类型和能量基本无关 4 辐照寿命 辐照寿命是半导体探测器的一个致命的弱点 半导体探测器随着使用时间的增加 造成载流子寿命变短 影响载流子的收集 例如 对5 5MeV的 粒子 当达到109cm 2时 分辨率开始变坏 达到1011cm 2时明显变坏 5 应用 1 重带电粒子能谱测量 1 介质为空气 实验结果 峰位 615 35chn半宽度 19 00chn 2 介质为真空 峰位 768 54chn半宽度 9 28chn 5 应用 2 dE dx探测器 dE dx探测器工作于全耗尽型或过耗尽型状态 可用于粒子鉴别 dE dx探测器的输出信号为X 能量探测器的输出信号为Y 其乘积XY mZ2而得到粒子谱 dE dx探测器 透射探测器 入射粒子 厚E探测器 E 由于一般半导体材料的杂质浓度和外加高压的限制 耗尽层厚度为1 2mm 对强穿透能力的辐射而言 探测效率受很大的局限 P N结半导体探测器存在的矛盾 4 3锂漂移半导体探测器 1 锂的漂移特性及P I N结 1 间隙型杂质 Li Li为施主杂质 电离能很小 0 033eV Li 漂移速度 当温度T增大时 T 增大 Li 漂移速度增大 2 P I N结的形成 基体用P型半导体 因为极高纯度的材料多是P型的 例如掺硼的Si或Ge单晶 1 一端表面蒸Li Li离子化为Li 形成PN结 2 另一端表面蒸金属 引出电极 外加电场 使Li 漂移 Li 与受主杂质 如B 中和 并可实现自动补偿形成I区 3 形成P I N结 未漂移补偿区仍为P 引出电极 P N IntrinsicSemi Frontmetallization Ohmicbackcontact Topositivebiasvoltage 由硅作为基体的探测器称为Si Li 探测器 由锗作为基体的探测器称为Ge Li 探测器 锂离子是用于漂移成探测器的唯一的离子 2 锂漂移探测器的工作原理 1 空间电荷分布 电场分布及电位分布 I区为完全补偿区 呈电中性为均匀电场 I区为耗尽层 电阻率可达1010 cm I区厚度可达10 20mm 为灵敏体积 杂质浓度 电荷分布 电位 电场 2 工作条件 为了降低探测器本身的噪声和FET的噪声 同时为降低探测器的表面漏电流 锂漂移探测器和场效应管FET都置于真空低温的容器内 工作于液氮温度 77K 对Ge Li 探测器 由于锂在锗中的迁移率较高 须保持在低温下 以防止Li B 离子对离解 使Li 沉积而破坏原来的补偿 对Si Li 探测器 由于锂在硅中的迁移率较低 在常温下保存而无永久性的损伤 3 由于PIN探测器能量分辨率的大大提高 开创了 谱学的新阶段 Li漂移探测器的问题 低温下保存代价很高 漂移的生产周期很长 约30 60天 PIN探测器结构可以是平面型的 如上所述 也可以是同轴型的 如图所示 同轴型的以P型芯贯穿晶体的情况 又可分为双端同轴探测器和单端同轴探测器 同轴型可以使灵敏体积较大 3 能量分辨率Si Li 探测器常用于测量低能和x射线能谱 影响Si Li 探测器的能量分辨率的因素类似于PN结型探测器 同样有电子 空穴对数的统计涨落 复合和俘获效应使谱峰低能边加宽 在布增加反向电流前提下可尽量增加偏置电压V0以减少复合和俘获 探测器噪声 窗厚等 4 4高纯锗 HPGe 半导体探测器 由耗尽层厚度的公式 降低杂质的浓度Ni可提高耗尽层的厚度 高纯锗半导体探测器是由极高纯度的Ge单晶制成的P N结半导体探测器 杂质浓度为 1010原子 cm3 一般半导体材料杂质浓度为 1015原子 cm3 1 高纯锗探测器的工作原理 1 P N结的构成 采用高纯度的P型Ge单晶 一端表面通过蒸发扩散或加速器离子注入施主杂质 如磷或锂 形成N区和N 并形成P N结 另一端蒸金属形成P 并作为入射窗 两端引出电极 因为杂质浓度极低 相应的电阻率很高 空间电荷密度很小 P区的耗尽层厚度大 2 空间电荷分布 电场分布及电位分布 电荷分布 电位 电场 2 高纯锗探测器的特点 1 P区存在空间电荷 HPGe半导体探测器是PN结型探测器 2 P区为非均匀电场 3 P区为灵敏体积 其厚度与外加电压有关 一般工作于全耗尽状态 4 HPGe半导体探测器可在常温下保存 低温下工作 4 5锂漂移和HPGe半导体探测器的性能与应用 1 结构 平面型 体积较小 厚度一般小于2 0cm 常用于低能 或X射线的探测 同轴型 体积较大 用于 射线的探测 对两种不同的结构形式 由于空间电荷的作用 灵敏体积内的电场分布是不同的 2 输出信号 与电离室相似 载流子漂移速度快 载流子收集时间就短 可以获得快上升时间的输出电压脉冲 其上升时间与入射粒子的位置有