第五章-半导体探测器PPT课件

第十章半导体探测器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中产生电子空穴对。2，电子-空穴对在外部电场的作用下漂移，输出信号。气体探测器中的电子-离子对、闪烁探测器中由光电倍增管第一倍增极收集的电子和半导体探测器中的电子-空穴对统称为探测器的信息载体。产生的每个信息载体的平均能量是30eV(气体检测器)、300eV(闪烁检测器)和3eV(半导体检测器)。(1)最佳能量分辨率；(2)辐射探测效率较高，可与闪烁探测器相比。(1)pn结半导体探测器；(2)锂漂移半导体探测器；(3)高纯锗半导体探测器；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：热运动引起的载流子浓度称为本征载流子浓度，导带中的电子数和价带中的空穴数严格相等。通常使用的半导体材料是硅(硅)和锗(锗)，它们都是第四族元素。理想的无杂质半导体。固态物理理论已经证明，半导体中的载流子平衡浓度为：ni和pi是单位体积中的电子和空穴数，下标“I”表示本征材料。t是材料的绝对温度，EG是能级的禁带宽度。嘿。嘿。5，2)杂质半导体，杂质类型：替代型，间隙型。(1)取代类型：第三族元素，如硼、铝、镓等。第五组元素，如磷、砷、锑等。(2)间隙型：李，能在晶格间移动。3)施主杂质和施主能级，施主杂质是v族元素，它们的电离势ED很低，施主杂质的能级必须接近禁带的顶部(即导带的底部)。在室温下，这些杂质原子几乎都被电离了。由于杂质浓度远高于本征半导体导带中的电子浓度，所以大多数载流子是电子，杂质原子成为正电荷中心。掺杂施主杂质的半导体称为N型半导体。嘿。6，4)受主能级和受主能级。受体杂质是第三族元素，其电离电势EA非常低。受体杂质的能级必须非常接近禁带的底部(即价带的顶部)。在室温下，价带中的电子很容易跃迁到这些能级。价带中出现空穴。因此，此时，大多数载流子是空穴，杂质原子成为负中心。掺杂受体杂质的半导体称为P型半导体。在公式中，E1是导带的底部。E2是价格区间的顶部。Cn和Cp是常数，与禁带中的能级分布无关。因此，可以看出np只与半导体材料在一定温度下的禁带宽度有关。因此，在相同温度下，本征半导体的相等两个载流子密度的乘积与掺杂半导体的两个载流子密度的乘积相等，即。9，2)补偿效应。对于N型半导体：np，可以加入受体杂质使其成为本征半导体，其中n=p=ni，也称为“准本征半导体”；如果进一步加入受体杂质，它们可以变成P型半导体，即pn。然而，代价是载流子的寿命将大大缩短。对于本征半导体：对于杂质半导体：但仍然满足，当n=p时，载流子总数取最小值。(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所需的能量。半导体中的平均电离能与入射粒子的能量无关。当半导体中消耗的能量为e时，产生的载流子数为。11，2)载流子的漂移。因为电子迁移率n和空穴迁移率p是相似的，不像气体探测器，没有电子或空穴型半导体探测器。对于n型半导体，电子漂移速度为；对于p型半导体，空穴漂移速度为。当电场较高时，漂移速度随着电场的增加而减慢，最终达到饱和12，3)电阻率和载流子寿命、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。对于硅，掺杂对电阻率的影响比锗大得多。当半导体材料冷却到液氮温度时，电阻率将大大增加。载流子寿命载流子在被俘获前在晶体中自由移动的时间。只有当漂移长度大于敏感体积的长度时，才能确保载体的有效收集。对于高纯度的硅和锗 10-3s，硅和锗是最实用的半导体材料。高电阻率和长载流子寿命是半导体探测器的关键。13，10.2P-N结半导体探测器，1，P-N结半导体探测器的工作原理，1)形成P-N结区(势垒区)，(1)多数载流子的扩散，通过空间电荷形成内部电场和形成结区。结区中存在势垒，结区也称为势垒区。耗尽层设置在势垒区中，不存在载流子，并且实现了高电阻率，达到并远高于本征电阻率。(2)pn结和高中频能量多道中的电流以与内部电场相反的方向穿透内部电场。由结区中的热运动产生的ig-电子-空穴对；IS-少数载流子扩散到结区。是内部电场的方向。在平衡状态：15，(3)在外加电场下的pn结：即，当结区变宽时，IG增加，IS保持不变，If减小，il出现。此时呈现的宏观电流称为暗电流。施加反向电压时的反向电流：少数载流子的扩散电流，结面积不变，电流不变；结区的体积增加，热运动产生更多的电子空穴，IG增加。反向电压产生漏电流IL，主要是表面漏电流。反向电压施加到pn结。由于结区的高电阻率，电势差几乎落在结区。由反向电压形成的电场与内部电场方向相同。外加电场增加了结的宽度。反向电压越高，结区越宽。16，2)pn结半导体探测器的特性，(1)pn结中空间电荷分布、结区电场分布和电势分布、N区和P区电荷密度分别为：其中nd和NA分别代表施主杂质和受主杂质浓度；a和b代表空间电荷的厚度。通常，根据两侧的杂质浓度，A和B不一定相等，结区中的总电荷在耗尽状态下为零，即NDa=NAb。电场是一个非均匀电场，通过对电场进行积分，可以得到电势分布。18，(2)结宽度和外加电压之间的关系。当x=0时，p区和n区的电势应该相等，即，因为：因此，耗尽区的总宽度：通常可以写成：Ni是在较低掺杂侧的杂质浓度。(3)结宽度受到材料击穿电压的限制，并且受到暗电流的限制，因为(4)结电容随着工作电压而变化，并且结电容可以根据结电荷随外加电压的变化率来计算。结电容随外加电压而变化，外加电压的不稳定性会影响检测器输出电压幅度的不稳定性。即。20，2，P-N结型半导体探测器，1)使用扩散工艺高温扩散或离子注入的扩散调节型探测器；该材料通常是电阻率为1000的P型高电阻硅。当电极引出时，必须确保欧姆接触，以防止形成另一个结。对于金硅势垒探测器，通常使用N型高阻硅，P型硅是通过氧化表面上50 100 g/cm2的蒸发金形成P-N结而形成的。该工艺成熟、简单、廉价。21，3，半导体检测器的输出信号，1)必须考虑结区外半导体材料的输出环路、结电阻Rd和结电容Cd、电阻和电容RS、CS。当R0(Cd和Ca)tc(tc为载体col电荷灵敏放大器的输入电容非常大，可以保证碳进入镉，并且碳进入镉非常稳定，从而大大降低了镉变化的影响。如果反馈电容和反馈电阻为Cf和Rf，则输出脉冲幅度为：输出环路的时间常数为：嘿。25，3)载体收集时间。因为电场强度在边界趋于零，所以定义载流子扫描距离x=0.99 W的时间是载流子收集时间：可以获得快速上升时间。主要性能，主要用于测量重带电粒子的能谱，如p等。通常要求耗尽层的厚度大于入射粒子的范围。(1)能量分辨率，影响能量分辨率的因素有：(1)输出脉冲幅度的统计波动，其中：f为fano因子，对于Si，f=0.143对于通用电气，F=0.129。w是产生电子-空穴对所需的平均能量。27，能量分辨率可以用FWHM表示：FWHM或E叫做半高宽或线宽，单位是KeV。以e=5.304 mev的2100粒子为例，对于PN结探测器，输出脉冲幅度的统计涨落引起的线宽为：(28)、(2)探测器和电子噪声，探测器的噪声是由pn结反向电流和表面漏电流的波动引起的；电子噪声主要由一级场效应管构成，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，即放大器输出的噪声电压的均方根值，就电子电荷而言，相当于放大器输入端的噪声电荷；因为噪声叠加在光线产生的信号上，谱线进一步变宽。关于产生信号的射线能量，用FWHM表示，单位是KeV。例如，ENC=200电子对，噪声引起的线宽为：29，(3)窗口厚度的影响，其中能量损失是由单位窗口厚度引起的。结果显示总线宽度为：例如：然后：30，2)分辨率时间和时间分辨率功率：3)能量线性非常好，基本上与入射粒子的类型和能量无关，4)辐照寿命，这是半导体探测器的致命弱点。随着半导体探测器使用时间的增加，载流子寿命变短，这影响了载流子的收集。例如，对于5.5兆电子伏的粒子，分辨率在达到109厘米-2时开始恶化，在达到1011厘米-2时明显恶化。31，5，应用，1)重带电粒子的能谱测量，2)dE/dx探测器，在完全耗尽或过度耗尽状态下工作的dE/dx探测器，可用于粒子识别。dE/dx探测器的输出信号是x，能量探测器的输出信号是y，乘积xy=mz2给出粒子谱。由于普通半导体材料的杂质浓度和所施加的高压的限制，耗尽层具有1至2 mm的厚度。对于穿透力强的辐射，探测效率受到很大限制。P-N结半导体探测器的矛盾：锂漂移半导体探测器，1。锂漂移特性与P-I-N结有关，1)间隙杂质Li，Li为施主杂质，电离能很小 0.033 ev，Li漂移速度快，当温度t增大时，(t)增大，Li漂移速度增大。形成P-I-N结，衬底由P型半导体制成(因为大多数具有极高纯度的材料是P型)，例如掺硼的硅或锗单晶。(1)锂在一个端面上蒸发，并且锂被电离成锂以形成PN结。(2)蒸镀另一端表面的金属引出电极。李由于外加电场而漂移。锂被受体杂质(如镓)中和，可实现自动补偿形成区。(3)形成P-I-N结，非漂移补偿区仍为P，电极引出。硅基探测器称为硅(锂)探测器，锗基探测器称为阿格(锂)探测器。锂离子是唯一可以漂移到探测器中的离子。35，2。锂漂移探测器的原理，1)空间电荷分布、电场分布和电势分布。第一区是一个完整的补偿区，显示了作为均匀电场的电中性；I区是一个耗尽层，电阻率高达1010cm；区的厚度可达10 20毫米，这是一个敏感区。杂质浓度、电荷分布、电势、电场对于锗(锂)探测器，由于锗中锂的高迁移率，必须将其保持在低温下，以防止锂镓离子解离并导致锂沉积而破坏原始补偿。对于硅(锂)探测器，由于锂在硅中的低迁移率，它们在室温下储存而没有永久损坏。(3)由于PIN探测器的能量分辨率大大提高，一个新的光谱学阶段已经开始。Li漂移检测器问题：低温下存储成本高；漂移的生产周期很长，约30 60天。对于高纯锗半导体探测器，可以根据耗尽层厚度公式通过降低杂质镍的浓度来增加耗尽层的厚度。高纯锗半导体探测器是由高纯锗单晶制成的pn结半导体探测器。杂质浓度约为1010原子/cm3。一般来说，半导体材料的杂质浓度约为1015原子/cm3。高纯锗探测器的工作原理1)pn结的组成采用高纯P型锗单晶，一个端面通过施主杂质(如磷或锂)的蒸发扩散或加速离子注入形成N区和N并形成pn结。另一端蒸成P形，用作入口窗。电极从两端引出。因为杂质浓度极低，相应的电阻率非常高。空间电荷密度很小，P区的耗尽层厚度很大。39，2)空间电荷分布、电场分布和电势分布、电荷分布、电势、电场。40，2。高纯锗探测器的特点：1)空间电荷存在于P区，HPGe半导体探测器为PN结探测器。2)P区是非均匀电场。3)P区是一个敏感区，它的厚度与外加电压有关，通常工作在完全耗尽状态。4)HPGe半导体探测器可在常温下储存，在低温下工作。41，10.5锂漂移和高功率锗半导体探测器1的性能和应用。平面型结构：体积较小，厚度一般小于2.0厘米，常用于低能或x光检测。同轴型：体积大，用于射线检测。对于两种不同的结构，由于空间电荷的作用，敏感体中的电场分布是不同的。2.输出信号，类似电离室，载流子漂移速度快，载流子收集时间短，可以获得上升时间快的输出电压脉冲。上升时间与入射粒子的位置有关，是可变波前的输出电压脉冲。通过积分电容器上的平面和同轴本征电流获得的输出信号的形状可以被定量描述。对于平面检测器：和同轴检测器：43、3。性能，其中硅(锂)和锗(锂)平面探测器用于低能(X)射线探测，其能量分辨率通常基于55Mn的KX能量，55Fe的衰变产物，为5.95千电子伏，一般指标约为：1)能量分