《半导体探测器》PPT课件

第十章半导体探测器(semiconductordetectors),2,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NaI,3,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,4,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。,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”,5,满带（价带）、禁带、空带（导带）,6,第十章半导体探测器,10.1半导体基本性质10.2均匀型半导体探测器10.3P-N结型半导体探测器10.4P-I-N型半导体探测器10.5高纯锗HPGe半导体探测器10.6锂漂移和HPGe半导体探测器的性能与应用10.7其它半导体探测器,7,10.1半导体基本性质,一本征半导体与杂质半导体二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),8,一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：,室温下的本征硅，,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/cm3,9,2.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。,10,3.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),11,4.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。,12,二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,13,3.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pn，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，np。,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？,14,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，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？,47,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：,48,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:,49,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：,50,四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，,51,(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,52,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！,53,(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510keV的能量损失,54,2.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10-910-8s，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：10-910-8s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0,P-N结半导体探测器的时间分辨本领为ns级。,55,3.辐照寿命,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。,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。,快电子：1014/cm2质子：101213/cm2粒子：1011/cm2裂变碎片：3108/cm2中子：31011/cm2射线：106R（剂量）,Frenkeldefect,填隙空位对：电子：几个中子：多23量级,56,4.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,57,2.)dE/dX探测器,3.)半导体夹层谱仪,4.)剂量监测,58,P-N结型探测器的不足,P-N结型探测器适合测量如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,59,10.1半导体基本性质10.2均匀型半导体探测器10.3P-N结型半导体探测器10.4P-I-N型半导体探测器10.5高纯锗HPGe半导体探测器10.6锂漂移和HPGe半导体探测器的性能与应用10.7其它半导体探测器,60,10.4P-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,P,P,N,N,I,mm,cm，V200cm3,61,一锂的漂移特性及P-I-N结的形成,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,“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。,62,2.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。,63,P,N+,Intrinsic,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。,64,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。,锂离子漂移区域不存在空间电荷，为均匀电场分布。,65,二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,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1020mm，为灵敏体积。,66,2.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。,67,要求低温条件：室温下，离子对会离解；降低反向电流和噪声。,68,10.1半导体基本性质10.2均匀型半导体探测器10.3P-N结型半导体探测器10.4P-I-N型半导体探测器10.5高纯锗HPGe半导体探测器10.6锂漂移和HPGe半导体探测器的性能与应用10.7其它半导体探测器,69,10.5高纯锗HPGe半导体探测器,一whyHPGedetector？二.HPGe的工作原理三.HPGe的制备过程,70,一.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：3060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（也许是熔点问题？Si:1410，Ge:959）,71,二工作原理,耗尽层的宽度：,纯化，N1010原子/cm3，一般半导体的纯度为1015/cm3利用HPGe，可使W10mm，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。,72,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。,73,空间电荷分布、电场分布及电位分布,电荷分布,电位,电场,74,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。,75,三.HPGe探测器的制备过程,76,77,10.1半导体基本性质10.2均匀型半导体探测器10.3P-N结型半导体探测器10.4P-I-N型半导体探测器10.5高纯锗HPGe半导体探测器10.6锂漂移和HPGe半导体探测器的性能与应用10.7其它半导体探测器,78,10.6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(1030cm3)，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。,79,可以做得很大，但同时电容会变大；减小r1，可降低结电容,80,2.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,81,3.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：,82,4.对的探测效率,光电、康普顿、电子对（1.022MeV）是探测的基本相互作用,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,83,85cm3的HPGe测量的探测效率19%。,全能峰效率：绝对全能峰效率本征全能峰效率相对全能峰效率,通常为相对33吋的NaI(Tl)晶体的探测效率（全能峰）,84,5.峰康比,峰顶计数与康普顿坪平均计数之比：2090。,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,分析复杂能谱时，希望有高的峰康比,想一想：如何提高峰康比？,85,6.能量线性,非常好对不同种类的射线，如，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，如射线150300keV(0.03%)3001300keV(0.02%)对比：NaI(Tl)不同种类粒子的差别：射线与的闪烁效率相差5倍不同能量的差别：对射线来讲，能量线性可相差6%,86,7.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s,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,87,各种探测器测量分辨率比较,88,ORTEC的HPGe产品,89,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：,90,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，也需要对能谱进行精确测量。,91,2)Si(Li)探测器,Si的Z14，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：,低能量的射线和X射线测量：在可得到较高的光电截面的同时，Si的X射线逃逸将明显低于锗的X射线逃逸；粒子或其它外部入射的电子的探测：由于其原子序数较低，可减少反散射X射线荧光分析,92,核材料的检测,The90to130keVregionofatypicalplutoniumspectrum.,93,xcooler,可以实现和液氮制冷同样的效果。无需杜瓦瓶，不必添加液氮。只要有电源，可以在任何地方使用，非常方便。,低能（500keV）射线的分辨率稍差（10%的变差ORTEC）机械振动引入噪声（microphonicnoise），影响分辨率似乎还比较