【清华大学工物系课件】电离辐射探测-工程硕士课程(6)-半导体探测器解析

【清华大学工物系课件】电离辐射探测-工程硕士课程(6)-半导体探测器解析第一页，共89页。whysemiconductordetector?气体：分辨率较好探测效率太低闪烁体：探测效率很好分辨率不好载流子的形成环节太多，不断损失产生载流子需要的能量半导体：分辨率很好：~0.1%@1.33MeV探测效率较高：比拟NaIw~30eVF:0.2~0.5w~300eVF:~1w~3eVF:~0.12第二页，共89页。半导体探测器（60年代初期发展起来）的特点：目前常见的半导体探测器材料有两种：Si：纯度不高，难以做成大的探测器（载流子寿命）适合带电粒子测量（短射程）Ge：纯度很高（高纯锗），可以做成较大的探测器适合γ能谱测量能量分辨率高探测效率高，可与闪烁体相比拟紧凑较快的时间响应尺寸较小，难以做大易受射线损伤本章讨论的核心，仍然是关于载流子（电子－空穴对）的问题：产生（统计性）运动损失形成信号干扰……探测器性能3第三页，共89页。关于能带（知识介绍）晶体内电子的公有化

晶体内的外层电子不再从属于某个特定的原子，而是从属于整个晶体，可以在晶体内任何原子核附近出现。E单个原子的能级晶体中：原子紧密、规则地排列相邻原子间的作用显著起来电子不仅受自身原子核的库仑作用，也受周围其它原子核的作用外层电子“公有化”E晶体中的能带N个电子N个能级能级间隔：10-22eV构成晶体的总原子数：N4第四页，共89页。满带（价带）、禁带、空带（导带）5第五页，共89页。第六章半导体探测器§6.1半导体基本性质§6.2均匀型半导体探测器§6.3P-N结型半导体探测器§6.4P-I-N型半导体探测器§6.5高纯锗HPGe半导体探测器§6.6锂漂移和HPGe半导体探测器的性能与应用§6.7其它半导体探测器6第六页，共89页。§6.1半导体基本性质本征半导体与杂质半导体半导体作为探测介质的物理性能常用半导体材料：Si、Ge(IV族元素)7第七页，共89页。一．本征半导体与杂质半导体1.本征半导体(intrinsicsemiconductor)理想的、纯净的半导体。半导体中的电子和空穴密度严格相同，由热运动产生：禁带宽度：本征硅：本征锗：半导体中的载流子密度小，且随温度变化。价带填满了电子，导带上没有电子金属中的电子密度：~1022/cm3室温下的电子与空穴密度：8第八页，共89页。2.杂质半导体在半导体材料中有选择地掺入一些杂质(ppm或更小)。杂质原子在半导体禁带中产生局部能级，影响半导体的性质。9第九页，共89页。3.施主杂质和施主能级V族元素，如P、As、Sb。能级接近导带底端能量；室温下热运动使杂质原子离化；离化产生的电子进入导带，但价带中并不产生空穴。掺有施主杂质的半导体中多数载流子是电子，叫做N型半导体。多数载流子(majoritycarriers)少数载流子(minoritycarriers)例：室温下，本征硅的载流子密度为：1010cm-3施主掺杂1017atoms/cm3(2ppm)，电子密度：1017/cm3空穴密度：103/cm310第十页，共89页。4.受主杂质和受主能级III族元素，如B、Al、Ga。能级接近价带顶端能量；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。导带上不产生电子。掺有受主杂质的半导体中多数载流子是空穴，叫做P型半导体。11第十一页，共89页。二．半导体作为探测介质的物理性能1.载流子密度半导体中电子和空穴的密度乘积为，本征半导体的载流子密度ni、pi和杂质半导体的载流子密度n、p满足：EF：费米能级没有射线，是否会有载流子（电子－空穴对）？电子与空穴的数目是否相等？与半导体的特性有关12第十二页，共89页。3.平均电离能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。300K，w(Si)=3.62eV77K，w(Si)=3.76eV，w(Ge)=2.96eV如果在N型半导体中加入受主杂质，当p>n，N型半导体转化为P型半导体。叫做补偿效应。当p=n，完全补偿。2.补偿效应例如：N型半导体，施主杂质几乎全部电离，n>p。电子与空穴的数目关系是否可以改变？我们关心的是射线产生的载流子，数目是多少？13第十三页，共89页。半导体平均电离能的特点：1.近似与入射粒子种类和能量无关，根据电子－空穴对可以推得入射粒子的能量请回顾一下气体和闪烁体的情况？2.入射粒子电离产生的电子和空穴的数目是相同的。无论是与本征半导体反应，还是与n型、p型半导体反应。掺杂量小，不足以改变射线与物质相互作用的特点。3.半导体的平均电离能很小～3eV，<<气体平均电离能(～30eV)严格地讲，平均电离能与入射粒子也有一定的关系：质子与α粒子相差2.2%。平均电离能与温度也有关系，对于Si，液氮温度时比室温时大3%。与射线的能量也有一定的关系，特别是低能X射线部分。能量降低，平均电离能增大。14第十四页，共89页。关于FANO因子射线在半导体中产生的电子－空穴对是服从FANO分布的。FANO因子目前尚难以进行准确地理论估计，通常由实验得到充分考虑其它因素对全能峰的展宽——电子学噪声、漂移等。剩下的展宽则由统计涨落引起——估计FANO分布。由实验结果来看：FANO因子的测量结果相差甚大，尤其是对Si。或许也和粒子沉积能量的特点有关。一些实验结果：Si：0.085~0.16，Ge：0.057~0.12915第十五页，共89页。当E~1045V/cm时：达到饱和漂移速度~107cm/s.4.载流子的迁移率迁移率随温度下降而上升，近似∝T-2/3300K，(Ge)空穴迁移率比电子迁移率小，但不过相差2～3倍，当电场强度不高（E<103V/cm）时，载流子迁移率正比于场强：300K，(Si)77K，(Ge)77K，(Si)当电场升高时，漂移速度随电场的增加速率变慢；载流子产生之后的行为？（类比气体）扩散和漂移，通常扩散可以忽略不计（若对位置精度要求不高）再想想气体？16第十六页，共89页。空穴在Ge中的漂移速度电场一定时，低温的漂移速度大。饱和速度时的场强：低温：Es~103V/cm；室温：Es~104V/cm。电场强度较小时，u与场强成正比；电场强度较大时，u随场强增加速度变慢。电子在Si中的漂移速度17第十七页，共89页。半导体探测器需要载流子的漂移长度大于灵敏体积的长度。5.载流子寿命载流子寿命：从产生到重新陷落(复合)的平均时间间隔

(理想晶体：second)。载流子的漂移长度：高纯度的半导体Si和Ge：~103s载流子在产生之后，除了会发生扩散或在电场下漂移并形成信号，还有可能发生：陷落(trap)：Au，Zn，Cd等的存在，使载流子陷落，不能移动，最终会释放，但是对信号没有贡献……复合(recombination)：(deepimpurities)可以捕获电子和空穴，导致复合(4b5a)，比直接复合(1b)要容易使得载流子减少！信号的收集时间：10-7～8s射线产生的载流子一定会对输出信号作出贡献吗？（气体）导带价带通过补偿，半导体材料的电阻率可以提高到与本真材料相同，但载流子寿命大大降低18第十八页，共89页。掺杂会大大降低半导体材料的电阻率；降低半导体材料温度可以提高电阻率。6.电阻率电阻率与电子、空穴浓度及其迁移率有关室温：(Si)=2.3105；(Ge)=50~100通过补偿效应，可以提高电阻率；完全补偿时，n=p，电阻率最高。19第十九页，共89页。半导体探测器材料应该具有的特点：长载流子寿命保证载流子能够被收集高电阻率漏电流小结电容小20第二十页，共89页。§6.1半导体基本性质§6.2均匀型半导体探测器§6.3P-N结型半导体探测器§6.4P-I-N型半导体探测器§6.5高纯锗HPGe半导体探测器§6.6锂漂移和HPGe半导体探测器的性能与应用§6.7其它半导体探测器21第二十一页，共89页。§6.2均匀型半导体探测器带电粒子与半导体晶体的相互作用均匀型半导体探测器的工作原理及性能22第二十二页，共89页。一.带电粒子与半导体晶体的相互作用带电粒子与晶体中的电子相互作用，迅速损失能量。电子由价带（满带）进入导带：可以从最高价带（第一价带）进入最低导带（第一导带）也可以是从更深的满带激发到更高的导带中。～10-12s，电子降至第一导带，空穴上升至第一价带。或者是产生δ电子，继续电离产生的电子－空穴对数服从法诺分布。对于Si：F=0.15对于Ge：F=0.1323第二十三页，共89页。二.均匀型半导体探测器的工作原理及性能相当于固体电离室电子-空穴在ps的时间内产生电子－空穴分别向正负极漂移，在外电路形成电流信号电子－空穴的收集时间～10-7s探测效率远大于气体探测器工作原理至放大器CRLRdCd+24第二十四页，共89页。早期使用金刚石（绝缘晶体）电阻率高载流子寿命很短(10-8s)：载流子来不及被收集“极化效应”：形成“空间电荷”，导致“反向电场”，随着入射粒子数目的增多，计数器无法工作1/1000的金刚石可用。性能25第二十五页，共89页。半导体具有长的载流子寿命(ms)，能够避免上述问题，但是？大暗电流，涨落→噪声。发热，使电阻率进一步降低晶体材料温度[K]空穴迁移率μp[厘米2/伏·秒]空穴寿命τp[秒]μp`τp[厘米2/伏]金刚石300120010－810－5硅3005002×10－31掺金硅14010410－710－3锗300180010－31.8锗781.5×10410－315碲30056010－85×10－6砷化铟3003×1046×10－82×10－3砷化镓3001037×10－77×10－4硫化镉3005010－85×10－7碲化镉3001002×10－62×10－4碲锌镉3008010－68×10－5碘化汞300410－54×10－5要求ρ>107Ω·cm26第二十六页，共89页。解决办法：室温半导体补偿法，提高材料的电阻率利用补偿法制备具有本征电阻率的硅晶体，在100K的低温下工作，则电阻率可以满足要求。在N型硅中掺杂3倍于施主数目的金。载流子寿命变短。选择禁带宽度大的材料，在室温下本征电阻率也足够高，例如化合物半导体材料：GaAs，CdTe，CZT(CdZnTe)，HgI2，CVD(ChemicalVaporDeposition)金刚石探测器27第二十七页，共89页。§6.1半导体基本性质§6.2均匀型半导体探测器§6.3P-N结型半导体探测器§6.4P-I-N型半导体探测器§6.5高纯锗HPGe半导体探测器§6.6锂漂移和HPGe半导体探测器的性能与应用§6.7其它半导体探测器28第二十八页，共89页。§6.3P-N结型半导体探测器工作原理P-N结型半导体探测器的类型输出信号P-N结型半导体探测器的性能与应用29第二十九页，共89页。一．工作原理1.P-N结(势垒区)的形成在P型半导体上掺杂，通过补偿效应，转化为N型半导体，形成P-N结。由于密度的差异，电子和空穴朝着密度小的方向扩散。扩散的结果形成空间电荷区，建立起自建电场。在自建电场的作用下，扩散与漂移达到平衡。形成P-N结区，也叫势垒区、耗尽区。电场是均匀的吗？耗尽了什么？30第三十页，共89页。少数能量较高的多数载流子（电子or空穴）会穿过势垒区扩散到对方区域，形成正向电流（密度）

If

。由于热运动在势垒区产生电子空穴，在自建电场作用下形成反向电流（密度）

IG

，扩散到势垒区的少数载流子在电场作用下也会形成反向电流

IS。达到平衡时，平衡前导带导带价带EFEF价带P型N型N型P型平衡后EF＋＋＋＋－－－－导带价带导带价带EFg:单位体积e-h对的产生速度，w:结区的厚度31第三十一页，共89页。2.外加电场下的P-N结在外加反向电压时的反向电流：少数载流子的扩散电流，结区面积不变，IS不变；结区体积加大，热运动产生电子空穴多，IG增大；反向电压产生漏电流IL，主要是表面漏电流。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自建电场方向一致。外加电场使结区宽度增大。反向电压越高，结区越宽。32第三十二页，共89页。3.势垒区的电场分布势垒区中的电场：空间电荷密度为，由于空间电荷数相等：E(x)33第三十三页，共89页。4.势垒区的宽度可以得到势垒高度：所以，势垒区的宽度：对电场积分，可以得到势垒分布：E(x)34第三十四页，共89页。5.结区电容根据结区电荷随外加电压的变化率，可以计算得到单位面积的结区电容：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需要想办法解决，怎么解决？[m][m][pF/cm2][pF/cm2]35第三十五页，共89页。Si例如：问：反向工作电压？结区厚度？结区电容？W=200mC=51pFV=45V36第三十六页，共89页。6.P-N结的击穿电压反向电压过大，可能造成P-N结的击穿。结区内场强不均匀，交界处场强最大，容易发生击穿。场强增大，载流子在势垒区获得的能量足以使其它电子由价带进入导带，“雪崩击穿”。反向电流急剧增大。可能造成破坏性的后果。电阻率越高，则耗尽层越厚，电场越弱，不易击穿。加保护电阻，限制电流，可防止探测器的击穿损坏。37第三十七页，共89页。二．P-N结型半导体探测器的类型1.扩散结型探测器用高电阻率、长载流子寿命的P型硅来制造。把施主杂质(如磷)扩散到P型Si材料中，形成P-N结。施主杂质浓度大，结区几乎全部在P型区内。N型区很薄：0.1～2.0m。N型区之外的表面层构成了死层(deadlayer)，入射窗。在粒子谱仪中，入射窗的存在是不受欢迎的。高温使载流子寿命减小。扩散结型探测器目前已经逐渐被其它探测器所取代，但由于更为“皮实”，不易受外部因素（如油气）的影响，仍然在使用。38第三十八页，共89页。2.面垒型探测器主要用N型硅（也可为P型硅）来制作（机制还不是很清楚）。在N型Si上蒸薄Au，透过Au层的氧化作用，形成P型氧化层。叫做金硅面垒探测器，Si(Au)。入射窗薄，死区小。对可见光敏感，会导致很大的噪声。不过在粒子能谱测量过程中所需要的真空条件一般会同时解决避光问题。面垒探测器的入射窗很薄，不能触碰，对环境中的蒸汽污染敏感（真空泵中的油）。39第三十九页，共89页。3.离子注入（IonImplantedLayers）另外一种在半导体表面掺杂的方法：将P或B粒子通过加速（～10kV），注入到半导体的表面。加速电压确定→掺杂深度确定，易于控制与扩散结型相比：在注入后，需要退火以消除射线损伤，<500ºC，小于扩散结型掺杂所需要的温度。晶体结构受影响小，载流子寿命长。与面垒型相比：离子注入更稳定，受环境条件影响小。入射窗的厚度可以很小：～34nm的Si目前已是商业化的产品40第四十页，共89页。三．输出信号1.输出回路41第四十一页，共89页。2.输出电流脉冲与电荷收集时间探测器中电子的漂移速度，从电子产生位置x0到x积分，可以得到电子漂移时间，电子感应电流，令：42第四十二页，共89页。认为电子漂移到x=0.99W处就把电子电荷全部收集，则电子的收集时间为，通常，电子和空穴的最大收集时间为，空穴漂移引起的感应电流：最大收集时间43第四十三页，共89页。3.输出电压幅度当RC>>tc时，探测器输出电压脉冲幅度为，这时，输出电压脉冲前沿由电流脉冲形状决定，后沿以输出回路时间常数RC指数规律下降。输出回路等效电容，而探测器结区电容Cd随反向工作电压变化，反向工作偏压的变化会导致输出信号幅度的变化，怎么办？44第四十四页，共89页。采用电荷灵敏前置放大器这时前置放大器的输出脉冲幅度为，电荷灵敏前置放大器等效输入电阻：探测器输出回路等效电容：45第四十五页，共89页。等效输出回路RC：输出回路等效电阻：电荷灵敏前置放大器输出脉冲后沿按照RfCf指数下降:46第四十六页，共89页。输出电压脉冲上升前沿随电子空穴产生位置变化。会引起定时误差。输出脉冲的形状：47第四十七页，共89页。四．P-N结型半导体探测器的性能与应用1.能量分辨率(1)统计涨落的影响探测器的能量分辨率为，入射粒子产生的电子空穴对数服从法诺分布，48第四十八页，共89页。(2)探测器和电子学的噪声探测器的噪声信号P-N结的反向电流：少数载流子的扩散电流IS；结区中热运动产生电子空穴的反向电流IG；反向电压产生漏电流IL，主要是表面漏电流。电子学噪声主要是前置放大器中第一级的噪声。等效噪声电荷ENC：放大器输出端噪声电压均方根值等效到输入端的电荷数。比较：电子学噪声49第四十九页，共89页。电荷灵敏前置放大器的噪声参数：零电容噪声(keV)；噪声斜率(keV/pF)。例如：一电荷灵敏前置放大器，零电容噪声1keV，噪声斜率0.03keV/pF。若探测器电容100pF，则总的噪声对谱线的展宽为：注意：电荷灵敏前置放大器的噪声与探测器的电容大小有关！二者是相加关系，非平方和！偏压探测器结电容反向电流偏压有最优值50第五十页，共89页。(3)窗厚对能量分辨率的影响不同角度入射的带电粒子穿过探测器的窗厚度不同，在窗中损失的能量不同，造成能谱展宽，各种因素对系统能量分辨率的影响，…………(4)电子－空穴“陷入”的影响载流子少→电子－空穴的复合并不严重陷入必须考虑，会影响信号的幅度，并形成小信号。10nm金层→5～10keV的α能量损失51第五十一页，共89页。2.分辨时间与时间分辨本领在P-N结探测器中，载流子的收集时间为10-9～10-8s，这是分辨时间的极限。分辨时间受制于探测器输出电流脉冲的宽度。时间分辨本领，要考虑：信号是什么时候产生的？脉冲信号的上升时间。电压放大器：10-9～10-8s电流放大器：更小粒子入射与信号产生时刻的关系？时滞基本为0P-N结半导体探测器的时间分辨本领为ns级。52第五十二页，共89页。3.辐照寿命过量的辐射会导致：漏电流的增加。分辨率变坏。甚至单能射线出现多个峰。时间特性变差。半导体探测器的正常工作有赖于完美的晶体结构以减少载流子的陷落，保证完整的电荷收集。辐射却有可能破坏这一点，尤其是重带电粒子。53第五十三页，共89页。4.P-N结型半导体探测器的应用1.)重带电粒子的测量优异的能量分辨率和线性谱仪能量(MeV)半宽度(keV)实验条件参考文献面垒探测器5.48011面积7mm2，温度30CP.Siffert,Thesis,Strasbourg(1966).电离室5.68114充气：氩+0.8%乙炔Zh.Eksp.Teor.Fiz.43(1962)426.闪烁计数器5.30595CsI(Tl)Rev.Sci.Instr.31(1960)974.54第五十四页，共89页。2.)dE/dX探测器3.)半导体夹层谱仪4.)剂量监测55第五十五页，共89页。P-N结型探测器的不足P-N结型探测器适合测量如α粒子这样的短射程粒子，但不适合对穿透力较强的射线进行测量。P-N结型探测器灵敏体积的线度一般不超过1mm

1MeV的粒子在硅中的射程~1.6mm对射线的探测效率太低56第五十六页，共89页。§6.1半导体基本性质§6.2均匀型半导体探测器§6.3P-N结型半导体探测器§6.4P-I-N型半导体探测器§6.5高纯锗HPGe半导体探测器§6.6锂漂移和HPGe半导体探测器的性能与应用§6.7其它半导体探测器57第五十七页，共89页。§6.4P-I-N型半导体探测器锂的漂移特性及P-I-N结的形成锂漂移探测器的工作原理PPNNImmcm，V>200cm358第五十八页，共89页。一．锂的漂移特性及P-I-N结的形成1.间隙型杂质——LiLi为施主杂质，电离能很小～0.033eVLi＋漂移速度“个头”小，扩散系数大。当温度T增大时，(T)增大，Li+漂移速度增大。59第五十九页，共89页。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Ga-)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。60第六十页，共89页。PN+IntrinsicFrontmetallizationOhmicbackcontactTopositivebiasvoltage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。61第六十一页，共89页。锂离子在外加电场作用下向右漂移。NLi较大处会引起电场变化，加速多余的锂离子向右漂移。ab锂离子漂移区域不存在空间电荷，为均匀电场分布。62第六十二页，共89页。二．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杂质浓度电荷分布电位电场VC关于I区：完全补偿区，呈电中性为均匀电场；为耗尽层，电阻率可达1010cm；厚度可达10～20mm，为灵敏体积。电容电压特性63第六十三页，共89页。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+Ga-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。64第六十四页，共89页。§6.1半导体基本性质§6.2均匀型半导体探测器§6.3P-N结型半导体探测器§6.4P-I-N型半导体探测器§6.5高纯锗HPGe半导体探测器§6.6锂漂移和HPGe半导体探测器的性能与应用§6.7其它半导体探测器65第六十五页，共89页。§6.5高纯锗HPGe半导体探测器whyHPGedetector？HPGe的工作原理66第六十六页，共89页。一.whyHPGedetector？锂漂移探测器需要低温保存与使用生产周期(锂漂移时间)长：30～60天1980年之后，Ge(Li)已经停止生产，并被HPGe所取代HPGe技术产生于70年代中期Ge的纯度可以达到PPT（10-12）Si的纯度难以做到这个纯度67第六十七页，共89页。二．工作原理耗尽层的宽度：纯化，N~1010原子/cm3，一般半导体的纯度为1015/cm3利用HPGe，可使W>10mm，形成高纯锗(HPGe)探测器大体积灵敏区：增加工作电压V，降低杂质密度N。高纯锗探测器：P-N结型探测器，常温保存，低温使用。68第六十八页，共89页。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。69第六十九页，共89页。空间电荷分布、电场分布及电位分布电荷分布电位电场70第七十页，共89页。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。71第七十一页，共89页。§6.1半导体基本性质§6.2均匀型半导体探测器§6.3P-N结型半导体探测器§6.4P-I-N型半导体探测器§6.5高纯锗HPGe半导体探测器§6.6锂漂移和HPGe半导体探测器的性能与应用§6.7其它半导体探测器72第七十二页，共89页。§6.6高纯锗和锂漂移探测器的性能与应用1.结构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。单端同轴双端同轴型表面漏电流较大，增加噪声。同轴型：体积较大，灵敏区体积可达~750cm3，用于射线的探测。平面型：体积较小(10～30cm3)，厚度一般小于2.0cm，常用于低能或X射线的探测。双端同轴单端同轴型电场径向一致性较差(角落处)通过磨圆、加长内芯电极可加以改善。73第七十三页，共89页。74第七十四页，共89页。2.输出信号载流子：电子和空穴。漂移速度很快，电子数倍于空穴，载流子收集时间短，可获得快上升时间的电压脉冲。但上升时间与入射粒子的位置有关，是变前沿的输出电压脉冲。但总电荷量与位置无关，采用电荷灵敏前放可获得同样输出电压。平面型探测器同轴型探测器可与电离室的输出信号进行类比75第七十五页，共89页。3.能量分辨率其中：为载流子数的涨落。探测器及电子仪器噪声；

为载流子由于陷阱效应带来的涨落，通过适当提高偏置电压减小。Si(Li)和Ge(Li)平面型探测器多用于低能(X)射线的探测，其能量分辨率常以55Fe的衰变产物55Mn的KX能量5.95KeV为标准，一般指标约：HPGe，Ge(Li)同轴型探测器用于射线探测，常以60Co能量为1.332MeV的射线为标准，一般指标约：76第七十六页，共89页。4.对γ的探测效率光电、康普顿、电子对（>1.022MeV）是探测γ的基本相互作用高分辨率→用作能谱分析（而非计数器）→关心全能峰→（光电效应＋多次康普顿散射）起作用77第七十七页，共89页。5.峰康比峰顶计数与康普顿坪平均计数之比：20~90。增大探测器灵敏体积改善几何形状：长度＝直径通过康普顿反符合技术可进一步提高峰康比一个量级分析复杂γ能谱时，希望有高的峰康比想一想：如何提高峰康比？78第七十八页，共89页。6.能量线性非常好对不同种类的射线，如α，γ，平均电离能差别很小对同种类但能量不同的射线，差别也很小，如γ射线150～300keV(<0.03%)300～1300keV(<0.02%)对比：NaI(Tl)不同种类粒子的差别：α射线与γ的闪烁效率相差5倍不同能量的差别：对γ射线来讲，能量线性可相差6%79第七十九页，共89页。7.时间特性分辨时间：电流脉冲宽度为107sec。出于能量分辨率的考虑，电荷灵敏前放的时间常数较大：ms电荷灵敏前放输出的信号经过谱仪放大器，脉宽减小，但信噪比仍然较好，可达μs时间分辨本领（两个因素）：载流子需要100ns的漂移时间（1cm，探测器的厚度）不同位置产生的载流子具有很不同的脉冲形状。比P-N结差80第八十页，共89页。各种探测器测量分辨率比较探测器55FeX5.9keV137Cs662keV60Co1332keV241Am5.485MeV屏栅电离室~1%Si(Au)~3‰Si(Li)~3%正比计数器~16%Ge(Li)~1.3‰NaI(Tl)~52%~7%~6%81第八十一页，共89页。应用1.)HPGe和Ge(Li)用于组成谱仪：锗具有较高的密度和较高的原子序数(Z=32)探头(晶体＋前置放大器＋低温装置)；谱放大器(稳定性，抗过载，极零调节，基线恢复等);多道脉冲幅度分析器(一般大于4000道，现在一般都带有数字稳谱功能)；计算机(谱解析软件及定量分析软件)。谱仪的组成：82第八十二页，共89页。谱仪的应用：活化分析；核物理研究等。在活化分析中，需要根据γ能谱来判断核素的组成。在工业应用，也会用HPGe来测量中子感生的瞬发γ射线能谱，进行物料分析。NuclearResonanceFluorescence技术对核能级进行研究，也需要对γ能谱进行精确测量。83第八十三页，共89页。2)Si(Li)探测器Si的Z＝14，较小，对一般能量的射线，其光电截面仅为锗的1/50，因此，其主要应用为：低能量的