第10章半导体探测器ppt课件

1、/ 104/ 1042why semiconductor detector?产生载流子需要的能量产生载流子需要的能量NaIw30eVF:0.20.5w300eVF:1w3eVF:0.1/ 1043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，仍然本章讨论的核心，仍然是关于载流子电子是关于载流子电子空穴对的问题：空穴对的问题：产生统计性）产生统计性）运动运动损失损失形成信号

2、形成信号干扰干扰探测器性能探测器性能/ 1044关于能带知识介绍）关于能带知识介绍）晶体内电子的公有化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，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而是从属于整个晶体，可以在晶体内任何原子核附近出现。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/ 1045满带价带）、禁带、空带导带）满带价带）、禁带、空带导带） 1 931 0e x p

3、 2 ( 1 / )GnpEk T c m / 1046第十章第十章 半导体探测器半导体探测器10.1 半导体基本性质10.2 均匀型半导体探测器10.3 P-N结型半导体探测器10.4 P-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/ 104710.1 半导体基本性质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)/ 1048一本征半导体与杂质半导体1. 本征半导体(intrinsic semiconductor)理想的、纯净的半导体。半导体

4、中的电子和空穴密度严格相同，由热运动产生：(S i 300 K )1.12eVGE禁带宽度：(Ge300 K)0.67eVGE103210/ cmnp室温下的本征硅，1332.4 10 /cmnp 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/ 10492. 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。/ 104103. 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

5、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(majority carriers)少数载流子(minority carriers)/ 104114. 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。e x pGn p C E k T/ 10412二半导体作为探测介质的物理性能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，22iiiin pnpnp本征半导体的载流子密度ni、p

6、i和杂质半导体的载流子密度n、p满足：1()eFEEkTnnC2()eFEEkTppC12GEEEEF：费米能级p没有射线，是否会有载流子电没有射线，是否会有载流子电子空穴对）？子空穴对）？电子与空穴的数目是否相等？电子与空穴的数目是否相等？与半导体的特性有关/ 104133. 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。300300K K，w(Si)=3.62eVw(Si)=3.62eV7777K K， w(Si)=3.76eV w(Si)=3.76eV， w(Ge)=2.96eVw(Ge)=2.96eV如果在N型半导体中加入受主杂质，n pn 不 变23900cm V

7、sn当p n，N型半导体转化为P型半导体。叫做补偿效应。当当p = np = n，完全补偿。，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？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？我们关心的是射线产生的载流子，数目是多少？/ 10414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

8、的特点。3. 半导体的平均电离能很小3eV，107cm/ 10426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 (Chemical Vapor Deposition)金刚石探测器/ 1042710.1 半导体基本性质10.2 均匀型半导体探测器10.3 P-N结型半导体探测器10.4 P-I-N型半导体探测器10.5 高纯锗H

9、PGe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/ 1042810.3 P-N10.3 P-N结型半导体探测器结型半导体探测器一工作原理二P-N结型半导体探测器的类型三输出信号四P-N结型半导体探测器的性能与应用/ 10429一工作原理一工作原理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。PNfI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？电场是均匀的吗？耗尽

10、了什么？耗尽了什么？/ 10430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 If 。GIg W e GI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 IG ，,SIf G SI I I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，EPNE导带 P型价带 价带EFEFEF导 带价 结区 带/ 104312. 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

11、，由于结区电阻率很高，电位差几乎都降在结区。P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。N4()( )de NE xW x/ 104323. 势垒区的电场分布在高电阻率半导体材料表面掺杂形成势垒区。 势垒区中的电场：( )dxeN 空间电荷密度为，( )axeN10 xd20dx 21add NdN 由于空间电荷数相等：22de N WVE(x)/ 104334. 势垒区的宽度可以得到势垒高度：1 22dVWeN所以，势垒区的宽度：222()de NVW Wx 对电场积分，可以得到势垒分布：11322221122()ppnnSipnnpIe nkT2

12、2de N WVE(x)/ 104346. 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。/ 10435关于关于P-N结的反向电流结的反向电流1.) 少数载流子扩散电流ISin半导体物理给出：n p ，半导体材料处于本征态时的载流子浓度np，N、P型层半导体中的少数载流子寿命n p ，越小越好，即本征电阻率要高。Si比

13、Ge好np，越长越好，需要选择载流子寿命高的材料22GiVIn e 大，IS大？少数载流子变多，IS变大从结区宽度的角度来考虑，还是选择让电阻率大些。/ 104362.) 结区内产生的电子空穴对造成的反向电流IG12()GIVW半导体物理给出：:基体半导体结区主要分布于其中的电阻率：其中的少数载流子寿命：多数载流子的迁移率1214()4 10(/)GnVIA cmW：结区的宽度大，则半导体内杂质与缺陷越少，2a,3a,4a,5a发生的概率小，所以IG小。/ 10437例： 以P型硅做基体材料，那么：1000 cm1ns22 0 /GIAcm若V=250V，那么：20.016/SIA cm同样材

14、料：GSII 故应重视IG。结区宽度不应太大如无必要，不应选择高电阻材料或增大反向电压。例如，测量低能重带电粒子的情况。/ 104383.) 表面电流IL表面沟道电流的产生机构NPi反型层N型）Si表面悬挂键Si表面的悬挂键使P-N结面积增大，使IS和IG都变大。表面处复合中心多，载流子的产生率较之内部更高，IG增加更为显著。若表面吸附金属离子和水蒸气较多，则产生离子导电N区沿表面至P区），构成表面电流IL，往往很大，可以到mA量级。/ 10439二二P-N结型半导体探测器的类型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S

15、i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：0.12.0 m。 N型区之外的表面层构成了死层(dead layer)，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。/ 104402. 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

16、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）。/ 104413. 离子注入Ion Implanted Layers） 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，tc时，探测器输出电压脉冲幅度为，diCCCC 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。1 2dCV 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，m ax(1 )dffN eN eVAC C

17、ACC 反向工作偏压的反向工作偏压的变化会导致输出变化会导致输出信号幅度的变化，信号幅度的变化，怎么办？怎么办？/ 10447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，(1)(1)1iffiifRRARRRRAA 电荷灵敏前置放大器等效输入电阻：fC()ov t( )iv tfRdiC C C C(1)dfCCAC (1)1ffffRRCA CC RA探测器输出回路等效电容：/ 10448等效输出回路RC ：/ / /daiRRRR输出回路等效电阻：1fRA9 1 0fR电荷灵敏前置放大器输出脉冲后沿按照Rf Cf指数下降:1210FfC310 sec.ffRCP/ 10449N

18、Ex2 . 3 5 52 . 3 5 5NF wEN 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：/ 10450四四P-N结型半导体探测器的性能与应用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，2NEFNFw11F W H M2 .3 5 5EEwFN 入射粒子产生的电子空穴对数服从法诺分布，22FWHM2.355ENCEw/ 10451(2) 探测器和电子学的噪声探测器的噪声信号11FW H M2.355EwFNP-NP-N结的反向电流：结的反向电流：少数载流子的扩散电流少数载流子的扩散电流IS IS ；结区中热运

19、动产生电子空穴的反向电流结区中热运动产生电子空穴的反向电流IG IG ；反向电压产生漏电流反向电压产生漏电流 IL IL ，主要是表面漏电流。，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。电子学噪声主要是前置放大器中第一级的噪声。 等效噪声电荷等效噪声电荷ENCENC：放大器输出端噪声电压均方根：放大器输出端噪声电压均方根值等效到输入端的电荷数。值等效到输入端的电荷数。比较：电子学噪声/ 10452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，

20、则总的噪声对谱线的展宽为：21 1 0 0 0 . 0 3 4 k e VE 330FWHM()Edd二者是相加关系，二者是相加关系，非平方和！非平方和！偏压偏压探测器结电容反向电流偏压有最优值偏压有最优值/ 10453(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的窗厚度不同，在窗中损失的能量不同，造成能谱展宽，同，造成能谱展宽，222123EEEE 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载流子少电子空穴的复合并不严重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

21、。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/ 104542. 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。P-N结半导体探测器的时间分辨本领为ns级。/ 104553. 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： 3101

22、1/cm2射线：106R剂量）Frenkel defect填隙空位对：电子：几个中子：多23量级/ 104564. 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谱仪 能量能量(MeV)半宽度半宽度(keV)实验条件实验条件参考文献参考文献面垒探测器面垒探测器5.48011面积面积7mm2，温度，温度 30 CP.Siffert, Thesis, Strasbourg(1966).电离室电离室5.68114充气：氩充气：氩+0.8%乙炔乙炔Zh. Eksp. Teor. Fiz. 43(1962)426.闪烁计数器闪烁计数器5.30595CsI(Tl)Rev.

23、Sci. Instr.31 (1960)974./ 104572.) dE/dX探测器3.) 半导体夹层谱仪4.) 剂量监测662232.33 3.626.02 1028 =0.18(1/cm)keVANAb/ 10458P-N结型探测器的不足结型探测器的不足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1 0 .0 1 8te t探 测 效 率 ：()d WT Ed t/ 1045910.1 半导体基本性质10.2 均匀型半导体探测器10.3 P-N结

24、型半导体探测器10.4 P-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/ 1046010.4 P-I-N型半导体探测器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，V200cm3/ 10461一锂的漂移特性及一锂的漂移特性及P-I-N结的形成结的形成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。/ 104622. P-I-N结的形成 基体用P型半导体(因为极高纯

25、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。/ 10463PN+IntrinsicFront metallizationOhmic back contactTo 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。/ 10464x/ Vdd0

26、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。L iANNab锂离子漂移区域不存在空间电荷，为均匀电场分布。/ 10465二锂漂移探测器的工作原理二锂漂移探测器的工作原理1. 1. 空间电荷分布、电场分布及电位分布空间电荷分布、电场分布及电位分布杂质浓度杂质浓度电荷分布电荷分布电位电位电场电场关于关于I I区：区：完全补偿区，呈电中性为均匀电场；完全补偿区，呈电中性为均匀电场；为耗尽层，电阻率可达为耗尽层，电阻率可达10101010cmcm；厚度可达厚度可达101020mm20mm，为灵敏体积。，为灵敏体积。/ 104662. 2. 工作条件工作条件为了

27、降低探测器本身的噪声和为了降低探测器本身的噪声和FETFET的噪声，同时为的噪声，同时为降低探测器的表面漏电流，锂漂移探测器和场效应降低探测器的表面漏电流，锂漂移探测器和场效应管管FETFET都置于真空低温的容器内，工作于液氮温度都置于真空低温的容器内，工作于液氮温度(77K)(77K)。/ 10467要求低温条件：室温下，离子对会离解；降低反向电流和噪声。122VWe N/ 1046810.1 半导体基本性质10.2 均匀型半导体探测器10.3 P-N结型半导体探测器10.4 P-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.

28、7 其它半导体探测器/ 1046910.5 高纯锗高纯锗HPGe半导体探测器半导体探测器一why HPGe detector？二. HPGe的工作原理三. HPGe的制备过程/ 10470一. why HPGe detector？ 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PPT10-12） Si的纯度难以做到这个纯度也许是熔点问题？Si:1410 ，Ge:959）/ 10471二工作原理二工作原理耗尽层的宽度： 纯化，N1010原子/cm3， 一般半导体

29、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。/ 10472P-N结的构成结的构成 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。/ 10473空间电荷分布、电场分布及电位分布空间电荷分布、电场分布及电位分布电荷分布电荷分布电位电位电场电场/ 10474高纯

30、锗探测器的特点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。/ 10475三三. HPGe探测器的制备过程探测器的制备过程/ 10476/ 1047710.1 半导体基本性质10.2 均匀型半导体探测器10.3 P-N结型半导体探测器10.4 P-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/ 1047810.6 高纯锗和锂漂移探测

31、器的性能与应用高纯锗和锂漂移探测器的性能与应用1. 构造 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。单端同轴单端同轴双端同轴型双端同轴型表面漏电流表面漏电流较大，增加较大，增加噪声。噪声。双端同轴双端同轴单端同轴型单端同轴型电场径向一电场径向一致性较差致性较差( (角角落处落处) )通过磨圆、加长通过磨圆、加长内芯电极可加以内芯电极可加以改善。改善。/ 10479可以做得很大，但同时可以做得很大，但同时电容会变大；电容会变大；减小减小r1，可降低结电容，可降低结电容/ 104802. 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，

32、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。平面型探测器平面型探测器222123E E E E 同轴型探测器同轴型探测器可与电离室的输出信号进行类比/ 104813. 能量分辨率其中：12.36EFE为载流子数的涨落。22.36 ()EENC3E探测器及电子仪器噪声； 1 6 0 2 0 0E e V 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：1.5 2.0EKeVHPGe，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：/ 104824. 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05001000150020001101001000CountsE(keV) 刻度后的本 底 能谱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/ 1048385cm3的HPGe 丈量的探测效率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