第五讲半导体探测器

1、第五讲半导体探测器2一能带论常用半导体材料：Si、Ge (IV族元素)除此还有：GaAs、CdTe、 HgI、CdZnTe、CdSe 砷化镓 碲化镉 碘化汞 碲锌镉 硒化镉电阻率：导体10-5cm一下；绝缘体10-14cm以上；半导体10-2cm 109cm。半导体一般以晶体形式存在。晶体分为单晶和多晶。作为探测器的半导体以及闪烁体大多数都是单晶材料。3固体的导电性能可以用能带论解释。绝缘体室温下，Si的Eg为，Ge的Eg为0.67eV.导体导带满带禁带Eg 510eV2eVEg41、本征半导体理想的、纯净的半导体。半导体中由于热运动产生的电子和空穴浓度： kTEpng2exp1019禁带宽度

2、：eV12. 1K)300Si(gEeV67. 0K)300Ge(gE室温下的本征硅，310cm/102 pn 本征锗，313cm/104 . 2 pn半导体中的载流子密度大小，随温度变化。温度高，Eg小，载流子浓度高。（K为波尔茨曼常量）52、杂质半导体 在半导体材料中有选择地掺入一些杂质。 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。3、施主杂质和施主能级 V族元素，如P、As（砷）、Sb（锑）、Li（锂） 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。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。施主能级施主能级靠近导带底部，对于锗仅为

3、；对于硅，P、As为，锑为，Li为0.03eV. 64、受主杂质和受主能级 III族元素，如B、Al、Ga（镓）、In（铟）。 能级接近满带顶端能量； 室温下满带中电子容易跃迁这些能级上； 在满带中出现空穴。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。受主能级受主能级靠近价带顶部，对于锗仅为；对于硅，硼为，铝为，镓为0.07eV. 71、载流子密度 半导体中电子和空穴的密度乘积为，kTECpnGexp 因此，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，22iipnpn2、补偿效应 N型半导体，施主杂质几乎全部电离，n p 。83、平均电离能 入射粒子在半导体

4、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。 300K，w 77K，w， w。 如果在N型半导体中加入受主杂质，pnpn不变 当p n，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。9当电场升高时，漂移速度随电场的增加速率变慢；当E 1045V/cm时：达到饱和漂移速度107cm/sec.4、载流子的迁移率 300K，(Si) 77K，(Si)secVcm102 . 123nsecVcm101 . 224n迁移率随温度下降而上升， 300K，(Ge) secVcm109 . 323nsecVcm109 . 123p电子迁移率与空穴迁移

5、率相差倍数，EwnnEwpp当E 103V/cm时：10空穴在Ge中的漂移速度 电场一定时，低温的漂移速度大。 低温：Es 103V/cm； 室温：Es 104V/cm。 电场强度较小时，u与场强成正比； 电场强度较大时，u随场强增加速度变慢。电子在Si中的漂移速度11 掺杂会大大降低半导体材料的电阻率； 降低半导体材料温度可以提高电阻率。5、电阻率)(1pnpne 电阻率与电子、空穴浓度及其迁移率有关，cm (Si)=2.3105 ； (Ge) = 50100cm 通过补偿效应，可以提高电阻率； 完全补偿时，n=p，电阻率最高。12 半导体探测器需要载流子的漂移长度大于灵敏体积的长度。6、载

6、流子寿命载流子从产生到消失(俘获、复合)的平均时间间隔 。EL 载流子的漂移长度： 高纯度的半导体Si和Ge ： 103sec.半导体探测器材料： 长载流子寿命； 高电阻率(漏电流小，结电容小)。13一工作原理二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为什么要用P-N结？25cm1cm1 . 010V100SlVIA01. 0141、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。EPN 在自建电场的作用下， 扩散与漂移达到

7、平衡。形成P-N结区，也叫势垒区、耗尽区。15 少数能量较高的电子空穴会穿过势垒区扩散到对方区域，形成正向电流 If 。fIeWgIG 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 ，GISI , 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，SGfIIIEPN162、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，由于结区电阻率很高，电位差几乎都降在结区。E 反向电压形

8、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。PN173、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：)(4)()(xWeNdxxdVxEd 空间电荷密度为，deNx )(aeNx)(10dx 02xddaNdNd12 由于空间电荷数相等：E(x)184、势垒区的宽度可以得到势垒高度：202WeNVd所以，势垒区的宽度：2102deNVW 对电场积分，可以得到势垒分布：22)(2xWWeNVdE(x)195、结区电容 根据结区电荷随外加电压的变化率，可以计算得到单位面积的结区电容：212214VeNWCdd 结区电容随外加电压变化而

9、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。21)(5 . 0VW:SiN型m21)(3 . 0VW:SiP型m214)(108 . 1VCd:SiN型pF/cm2:SiP型214)(103VCdpF/cm220Si例如：mm10),Au(Sicm3600的质子。测量 MeV5问： 反向工作电压？ 结区厚度？ 结区电容？ W =200m C =51pF V =45V确定耗尽层厚度及电容与电阻率和反向偏压的函数关系的列线图21扩散结型探测器面垒型探测器 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，噪声小，分辨率高。易于做

10、成大面积均匀探测器，或做成很薄的dE/dX探测器。光敏，耐高温特性不好。 把施主杂质(P)扩散到P型Si材料中，形成P-N结。 用高温扩散和离子注入的方法，通过控制扩散温度和扩散时间，得到1m以下的薄入射窗。 性能稳定，高温使载流子寿命减小，窗损失能量。1、PN结型半导体探测器22离子注入型 利用离子注入参杂法形成P-N结。加速器产生具有一定能量的正离子直接穿透半导体表面形成PN结，通常是用硼离子轰击N型硅，或者磷离子轰击P型硅。优点：对环境和真空很稳定；入射窗极薄。缺点：由于入射离子产生的强辐射损伤，形成大量的复合俘获中心，使得能量分辨率不如面垒型的好。231、输出回路PN)(tICR)(t

11、VSRSCiCiRCaRdCdR)(tIDiCiRaRCiadRRRR/idCCCC242、输出电流脉冲与电荷收集时间 探测器中电子的漂移速度，)(4xWeNEdtdrdnn从电子产生位置x0到x积分，可以得到电子漂移时间，xWxWtn0ln4驰豫时间：eNdn1 电子感应电流，txWWeNtIdn8exp)(8)(20225 认为电子漂移到处就把电子电荷全部收集，则电子的收集时间为，WxWtcn01. 0ln40通常，电子和空穴的最大收集时间为，.sec109cnt.sec108cpt 空穴漂移引起的感应电流：txWWeNtInpnpdp8exp)(8)(20246 . 400 x最大收集时

12、间263、输出电压幅度 当RCtcn时，探测器输出电压脉冲幅度为，CNeVmax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。idCCCC 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，21VCd27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，ffdCNeACACCNeV)1 (max 电荷灵敏前置放大器等效输入电阻：ARARRARRRffifii1)1 ()1 (fC)(tvo)(tvifRidCCCCfdCACC)1 (探测器输出回路等效电容：28等效输出回路RC ：ffffRCARCARC1)1 (输出回路等效电阻：/iadR

13、RRR ARf1电荷灵敏前置放大器输出脉冲后沿按照Rf Cf指数下降:910fRF1012fCsec.103ffCR291、能量分辨率(1) 输出脉冲幅度谱的统计涨落 探测器的能量分辨率为，EwFNN355. 2355. 2wEFNFN2 入射粒子产生的电子空穴对数服从法诺分布，NFwEE355. 2FWHM1130(2) 探测器和电子学的噪声 反向电流的涨落构成探测器的噪声信号。ENC355. 2FWHM22wEP-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

14、。 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。NFwE355. 2FWHM11比较：31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。 与反向电流有关的噪声随偏压V增加； 探测器结电容随偏压V增加而减小； 总噪声电压随偏压V有极小值。keV403. 010012E 若探测器电容100pF，则总的噪声对谱线的展宽为：32(3) 窗厚对能量分辨率的影响2、分辨时间3、辐照寿命4、P-N结型半导体探测器的应用 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

15、成能谱展宽，)(FWHM033ddE 各种因素对系统能量分辨率的影响，232221EEEE33一工作原理二输出信号与主要性能三 P-I-N型半导体探测器的应用为什么要发展P-I-N型探测器？ 1MeV的粒子在硅中的射程2mm，而P-N结型探测器灵敏体积的线度一般不超过。 P-N结型探测器探测和的效率太低。34 带正电的锂离子与带负电的受主离子结合成中性的正负离子对。由于补偿作用，形成本征区。构成P-I-N结构。PNE 在高电阻率的P型半导体材料表面掺入锂原子，制成P-N结。Li在Si和Ge中有较高的迁移率和电离能（在Si中，Ge中0.01eV)，所以在室温下全部电离。Li离子的半径很小（），所

16、以很容易以较大的速度穿过晶格（、）深入进去。 在高温下，外加反向电场，使锂离子沿电场方向扩散。I 35E 本征区I 电子空穴密度相等，IIpn PNI N区和P区多数载流子密度远远大于少数载流子密度，NNpnPPpn 存在不等式：PINnnnPINppp 多数载流子扩散，出现空间电荷。 I区是耗尽区，电阻率很大，叫做本征区。 空间电荷建立电场，阻止多数载流子进一步扩散。36ExdV /d0 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。abALiNN 锂离子漂移区域不存在空间电荷，为均匀电场分布。37 1、锂漂移探测器的输出信号 2、能量分辨率 3、线

17、性 4、探测效率 绝对效率，本征效率 总效率， 峰效率 5、峰康比 6、分辨时间38锂漂移探测器的输出信号ut39探测效率绝对总效率Nnst放射源发出的粒子数数探测器记录到的全谱计绝对峰效率Nnpsp放射源发出的粒子数计数探测器记录到的全能峰本征总效率DintNn进入探测器的粒子数数探测器记录到的全谱计本征峰效率DpinpNn进入探测器的粒子数计数探测器记录到的全能峰40全谱面积全能峰面积峰总比 康普顿坪平均高度全能峰高度峰康比 41三 P-I-N型半导体探测器的应用 1、使用中的注意事项 2、锂漂移探测器与其它射线谱仪的比较 与碘化钠闪烁谱仪的比较 与正比计数器的比较 与晶体衍射谱仪的比较

18、3、半导体谱仪在核物理实验中的应用 4、半导体谱仪在工业技术中的应用42要求低温条件： 室温下，离子对会离解； 降低反向电流和噪声。43一工作原理二主要性能与应用为什么要发展HPGe探测器？ 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。44耗尽层的宽度：212eNVW 纯化，N1010原子/cm3， 达W10mm，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。 补偿，锂漂移型探测器。45灵敏区厚度：510 mm ：E 220 MeV p：Ep 60 MeV ：300 600 keV 工作在全耗尽状态； 液氮温度77K。形成P+-P-n+结构。 P型区存在电荷，电场强