第六章半导体探测器 辐射测量原理课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第六章半导体探测器,Semiconductor Detector,1,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,)。,2,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；,(2),锂漂移型,半导体探测器；,(3),高纯锗,半导体探测器；,3,6.1,半导体的基本性质,6.1.1、,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,：,n,i,和,p,i,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，,E,G,为能级的禁带宽度。,4,2),杂质,半导体,杂质类型：,间隙型,，,替位型,。,(2),替位型,：,III族元素,，如,B,，,Al,，,Ga,等；,V族元素,，如,P,，,As,，,Sb,等；,(1),间隙型,：,Li,，可在晶格间运动。,5,3),施主,杂质,(,Donor impurities,),与,施主,能级,施主杂质,为,V族,元素，其,电离电位,E,D,很低,，,施主杂质的,能级,很,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,。,电子浓度,：,施主杂质浓度,电离时能够,施放电子,而,产生导电电子,并,形成正电中心,的杂质；,6,4),受主,杂质,(Acceptor impurities),与,受主,能级,受主杂质,为,III族,元素，其,电离电位,E,A,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到这些能级上，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,。,空穴浓度,：,受主杂质浓度,能够,接受电子,而,产生导电空穴,并,形成负电中心,的杂质；,7,Doping with valence 5 atoms,Doping with valence 3 atoms,N,-type semiconductor,P,-type semiconductor,8,6.2,P-N结半导体探测器,6.2.1、,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,(1) 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,。,9,(2),P-N,结的漏电流,I,f, 能量较高的,多子穿透,内电场，方向为,逆,内电场方向,；,I,G, 在结区内由于,热运动产生,的电子空穴对；,I,S,少子扩散,到结区。,I,G,，I,S,的方向为,顺,内电场方向,。,I,f,I,G, I,S,平衡状态时：,10,(3) 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。,I,f,I,G, I,S,-,+,11,即:在使,结区变宽,的同时，,I,G,增加,I,S,不变，,I,f,减小，并出现,I,L,，此时表现的宏观电流称为,暗电流,。,在外加反向电压时的,反向电流：,少子的扩散电流，结区面积不变，,I,S,不变,；,结区体积加大，热运动产生电子空穴多，,I,G,增大,；,反向电压产生,漏电流,I,L,，主要是表面漏电流。,I,f,I,G, I,S,-,+,12,2),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,N,D,和,N,A,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,N,D,a,N,A,b,。,n-type,p-type,- - - - - -,- - - - -,- - - - - -,- - - - -,- - - -,- - - - - - -,+ + + + +,+ + + + +,+ + + + +,13,电场为,非均匀电场：,电位分布,可由电场积分得到,：,14,(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：,则,势垒高度V,0,:,15,耗尽区的总宽度,：,当,N,D,N,A,时，,b,a,。则,当,N,A,N,D,时，,a,b,。则,一般可写成：,N,i,为,掺杂少,的一边的,杂质浓度,。,16,(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：,17,(4),结电容,随,工作电压,的变化,以N型硅为基体的情况为例，设结区截面为S，宽度为a，则结区内一种符号的空间电荷为：,即：,18,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：,19,6.2.2、P,-,N,结半导体探测器的类型,1) 金硅面垒(,Surface Barrier,)探测器,一般用,N,型高阻硅,作基片,，表面蒸金,50,100,g/cm,2,(10,m左右）,氧化形成P型硅,，而形成,P-N,结。,工艺成熟、简单、价廉。,对光灵敏，探测带电粒子时探测器必须在,真空密封条件下；窗薄，不能用手摸镀金面。,20,2) 扩散结(,Diffused Junction,)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,；,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。,室温下测,射线,和,X射线,。,21,6.2.4,、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。,22,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,210,Po,的,E,5.305,MeV,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：,23,(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,，即放大器输出端的噪声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：,24,(3),窗厚度的影响,式中 为,单位窗厚度引起的能量损失,。,得到,总线宽,为：,例如：,则：,25,2）,分辨时间,与,时间分辨本领,：,3）,辐照损伤,辐照损伤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5.5,MeV,的,粒子，当达到10,9,cm,-2,时，分辨率开始变坏，达到10,11,cm,-2,时明显变坏。,26,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12,mm,。 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,：,27,6.3 锂漂移半导体探测器,6.3.1.,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。,28,2),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。,P,N,+,Intrinsic Semi,Front metallization,Ohmic back contact,To positive bias voltage,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。,29,2),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。,30,3) 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3060天。,31,6.4 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,N,i,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,10,10,原子/,cm,3,。,一般半导体材料杂质浓度为,10,15,原子/,cm,3,。,32,6.4.1.,高纯锗探测器的工作原理,1) P-N结的构成(,N,+,-P- P,+,),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,+,。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,。,33,6.5.3.,性能,其中：,Si(Li),和,Ge(Li),平面型探测器,用于,低能,(X)射线,的探测，其能量分辨率常以,55,Fe,的衰变产物,55,Mn的KX能量,5.95KeV,为标准，一般指标约：,1),能量分辨率,：,为,载流子数的涨落,。,为,漏电流和噪声,；,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,。,HPGe,，,Ge(Li),同轴型探测器,用于,射线探测,，常以,60,Co,能量为,1.332MeV,的射线为标准，一般指标约：,34,2),探测效率,一般以,3英寸3英寸,的,NaI(Tl),晶体为,100,，用,相对效率,来表示。,以85cm,3,的HPGe为例，探测效率为19。,3),峰康比,P =,全能峰峰值,/,康普顿平台的峰值,与FWHM以及体积有关，可达600800,4),时间特性,：,电流脉冲宽度,可达10,-9,10,-8,s.,35,The End !,36,作业：,教材P158：3、4,37,