半导体探测器讲解

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,#,第十章,半导体探测器,Semiconductor Detector,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；,(2),锂漂移型,半导体探测器；,(3),高纯锗,半导体探测器；,10.1,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,：,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。,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,，,Al,，,Ga,等；,V,族元素,，如,P,，,As,，,Sb,等,(2),间隙型,：,Li,，可在晶格间运动。,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,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,。,电子浓度,：,施主杂质浓度,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,Doping with valence 5 atoms,Doping with valence 3 atoms,N,-type semiconductor,P,-type semiconductor,2,、,载流子浓度和补偿效应,1),载流子浓度,空穴浓度,：,电子浓度,：,式中，,E,1,为导带底；,E,2,为价带顶。,C,n,和,C,p,为与禁带内能级分布无关的,常数,。,所以,：,可见，对半导体材料，在一定温度下，,n,p,仅与禁带宽度有关,。因此，在,相同温度下,，,本征半导体,的相等的,两种载流子密度之积,与,掺杂半导体,的,两种载流子密度之积,相等，即：,2),补偿效应,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=n,i,，,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,。,但其代价为,载流子的寿命将大大缩短,。,对本征半导体,：,对杂质半导体,：,，但仍满足,当,n=p,时，载流子总数 取最小值。,3,、,半导体作为探测介质的物理性能,1),平均电离能,（,w,）,Si,Ge,300,K,3.62eV,77,K,3.76eV,2.96eV,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,10,7,cm/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,-3,s,，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。,10.2,P-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,(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,。,(2),P-N,结内的电流,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：,(3),外加电场下的,P-N,结：,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。,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。,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,-,-,-,-,-,-,+,+,+,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,：,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,。,(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,(,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,，,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,(,Surface Barrier,),探测器,一般用,N,型高阻硅,，,表面蒸金,50,100,g/cm,2,氧化形成,P,型硅,，而形成,P-N,结。工艺成熟、简单、价廉。,3,、,半导体探测器的输出信号,1),输出回路,须考虑,结电阻,R,d,和,结电容,C,d,，,结区外,半导体材料的,电阻,和,电容,R,S,，,C,S,。,测量仪器,2),输出信号,当,R,0,(,C,d,+C,a,),t,c,(,t,c,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,脉冲后沿以时间常数,R,0,(,C,d,+C,a,),指数规律下降。,脉冲前沿从粒子入射至全部载流子被收集,(,t,c,),。,但是，由于,输出电压脉冲幅度,h,与,结电容,C,d,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,C,d,，而,C,入,是十分稳定的，从而大大减小了,C,d,变化的影响。若反馈电容和反馈电阻为,C,f,和,R,f,，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,0.99,W,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,210,Po,的,E,5.304,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：,(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：,(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：,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,5.5,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。,5,、应用,1,）,重带电粒子能谱测量,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,mZ,2,而得到粒子谱。,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,1,2,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,：,10.3,锂漂移半导体探