半导体探测器

1、2022-4-30中国科大 汪晓莲 1第四章第四章 半导体探测器半导体探测器 4-1 半导体的基本知识和探测器半导体的基本知识和探测器的工作原理的工作原理4-2 能量测量半导体探测器能量测量半导体探测器4-3 半导体探测器的主要参量半导体探测器的主要参量4-4 位置测量半导体探测器位置测量半导体探测器4-5 半导体探测器的应用半导体探测器的应用2022-4-30中国科大 汪晓莲 2Semiconductor Detector 优点：优点：1）很高的能量分辨率）很高的能量分辨率，比气体探测器大约高一个数量级，比气体探测器大约高一个数量级，比闪烁计数器高的更多。因为在半导体中电离产生一比闪烁计数器

2、高的更多。因为在半导体中电离产生一对电子空穴对只需要对电子空穴对只需要3eV左右的能量；带电粒子在半左右的能量；带电粒子在半导体中的能量损失很多，在硅晶体中大约为导体中的能量损失很多，在硅晶体中大约为3.9MeV/ cm，所以，所以能量相同的带电粒子在半导体中产生的电子能量相同的带电粒子在半导体中产生的电子空穴对数比在气体中产生的离子对数高一个数量级空穴对数比在气体中产生的离子对数高一个数量级以上。这样以上。这样,电离对数的统计误差比气体小很多。电离对数的统计误差比气体小很多。2）很宽的能量响应线性范围）很宽的能量响应线性范围3）很快的响应时间，）很快的响应时间，ns量级，高计数率量级，高计数

3、率108/cm2s4）体积小）体积小5）很好的位置分辨率，好于）很好的位置分辨率，好于1.4 m。 缺点：缺点：对辐射损伤灵敏对辐射损伤灵敏2022-4-30中国科大 汪晓莲 34-1 半导体的基本知识和半导体的基本知识和 探测器的工作原理探测器的工作原理一、半导体的基本知识一、半导体的基本知识1. 固体的导电性：固体的导电性： 物体导电是物体内电子在外电场作用下定向运动的结果。物体导电是物体内电子在外电场作用下定向运动的结果。2. 2. 导体、半导体、绝缘体的能带导体、半导体、绝缘体的能带 由于电场力对电子的作用，使电子的运动速度和能量发生变化。由于电场力对电子的作用，使电子的运动速度和能量

4、发生变化。 从能带论来看，电子能量变化就是电子从一个能级跃迁到另一个从能带论来看，电子能量变化就是电子从一个能级跃迁到另一个能级上。能级上。满带：满带：被电子占满的能级，一般外电场作用时，其电子不形成被电子占满的能级，一般外电场作用时，其电子不形成电流，对导电没有贡献，亦称价带。电流，对导电没有贡献，亦称价带。导带：导带：被电子部分占满的高能态能级，在外电场作用下，电子被电子部分占满的高能态能级，在外电场作用下，电子从外电场吸收能量跃迁到未被电子占据的能级上去，形成电流，从外电场吸收能量跃迁到未被电子占据的能级上去，形成电流，起导电作用。起导电作用。2022-4-30中国科大 汪晓莲 4 禁带

5、：禁带：满带和导带之间的禁区称为禁带，其宽度也称为满带和导带之间的禁区称为禁带，其宽度也称为能隙能隙，记做，记做Eg。 导体、半导体和绝缘体之间的差别在于导体、半导体和绝缘体之间的差别在于禁带宽度禁带宽度不同：不同： 导体不存在禁带，满带和导电交织在一起；导体不存在禁带，满带和导电交织在一起； 半导体禁带较窄，半导体禁带较窄，Eg=0.1-2.2eV 绝缘体禁带较宽，绝缘体禁带较宽，Eg=2-10eV 由于能带取决于原子间距，所以由于能带取决于原子间距，所以Eg与温度和压力有关。一般禁带宽与温度和压力有关。一般禁带宽度大的材料，耐高温性能和耐辐照性能好。度大的材料，耐高温性能和耐辐照性能好。5

6、291010101010cmcmcm2022-4-30中国科大 汪晓莲 5材料SiGeCdTeCdZnTe HgI2 CdSe GaAs原子序数（Z）143248、5248、30、5280、5348、3431、33密度（g/cm3）2.335.326.065.95.956.45.745.36介电常数11.715.74.468.812.5禁带宽度Eg(eV)1.12/1.160.67/0.741.471.42.262.131.701.43平均电离能W(eV)3.62/3.762.80/2.964.464.34.35工作温度（K）300/77300/77300300300300300漂移迁移率cm

7、2/(V.s)电子14503900110011001006508600空穴4501900100504651000少数载流子寿命 (s)10310361.110-22510-30.1电阻率(cm)104102109101110131012107俘获长度(mm)103103111能量分辨率FWHM(KeV)55Fe, X 5.9KeV0.1361.11.50.295241Am, 59.5KeV0.400.31.531.25.92.657.Co, 122KeV0.550.44.53.92.0137Cs, 662KeV0.90.98104.5241Am,5.48MeV13.564.8几种半导体材料的性

8、能参数几种半导体材料的性能参数2022-4-30中国科大 汪晓莲 63.3.本征半导体本征半导体理想的不含杂质的半导体称为理想的不含杂质的半导体称为本征半导体本征半导体，导带上的电子数，导带上的电子数目严格等于满带上的空穴数目，目严格等于满带上的空穴数目，n=p n=p 。一般情况下，半导体的满带完全被电子占满，导带中没有电子。一般情况下，半导体的满带完全被电子占满，导带中没有电子。在热力学温度为零时，即使有外电场作用，它们并不导电。但在热力学温度为零时，即使有外电场作用，它们并不导电。但是当温度升高或有光照时，半导体满带中少量电子会获得能量是当温度升高或有光照时，半导体满带中少量电子会获得能

9、量而被激发到导带上，这些电子在外电场作用下将参与导电。同而被激发到导带上，这些电子在外电场作用下将参与导电。同时满带中留下的空穴也参与导电。时满带中留下的空穴也参与导电。 N N型（电子型）半导体：型（电子型）半导体：导带内电子运动，参与导电。导带内电子运动，参与导电。 P P型（空穴型）半导体：型（空穴型）半导体：满带内空穴运动，参与导电。满带内空穴运动，参与导电。 载流子：载流子：是电子和空穴的统称。温度高，禁带宽度小，产生是电子和空穴的统称。温度高，禁带宽度小，产生的载流子数目就多；产生得越多，电子与空穴复合的几率也越的载流子数目就多；产生得越多，电子与空穴复合的几率也越大。在一定温度下

10、，产生率和复合率达到相对平衡，半导体中大。在一定温度下，产生率和复合率达到相对平衡，半导体中保持一定数目的载流子。保持一定数目的载流子。2022-4-30中国科大 汪晓莲 7 载流子浓度：载流子浓度：固体物理可以证明本征半导体内的载流固体物理可以证明本征半导体内的载流子平衡浓度子平衡浓度23expiEgnn pUTkT每立方厘米体积中电子与空穴的浓度禁带宽度(eV)绝对温度(K)玻尔兹曼常数比例系数233323231031331.211.510exp0.7853.110exp3001.510/2.410/iiSinTkTGenTkTtKSinpcmGenpcm不 含 杂 质 的 理 想 本 征

11、 半 导 体 的 载 流 子 浓 度硅锗在 室 温 下 ， 本 征 半 导 体 载 流 子 浓 度硅锗2022-4-30中国科大 汪晓莲 8Silicon DetectorSome characteristics of Silicon crystals Small band gap Eg = 1.12 eV 0(e-h pair) = 3.6 eV High specific density 2.33 g/cm3 dE/dx (M.I.P.) 3.9 MeV/cm 102 e-h/m (average) High carrier mobility e =1450cm2/ V.s, h = 45

12、0 cm2/ V.s fast charge collection (10 ns) Very pure 1ppm impurities Rigidity of silicon allows thin self supporting structures Detector production by microelectronic techniques2022-4-30中国科大 汪晓莲 9把电子贡献给导带的杂质称为把电子贡献给导带的杂质称为施主杂质施主杂质，杂质能级叫，杂质能级叫施施主能级主能级，位于导带底部。常用的五价元素有：位于导带底部。常用的五价元素有：P(磷磷)、As(砷砷)、 Sb(锑

13、锑)、 Li(锂）等。五价元素原子的第锂）等。五价元素原子的第5个价个价电子都激发到导带中参与导电，五价元素原子成为正离电子都激发到导带中参与导电，五价元素原子成为正离子，是不能移动的正电中心。这种半导体的导电主要是子，是不能移动的正电中心。这种半导体的导电主要是电子贡献，称作电子贡献，称作电子型或电子型或N型半导体型半导体。能接受满带中电子而产生导电空穴的杂质称为能接受满带中电子而产生导电空穴的杂质称为受主杂质受主杂质，常用的三价元素有：常用的三价元素有：B(硼硼)、Al(铝铝)、Ga(镓镓)、In(铟铟)。三价元素原子有从附近吸收一个电子的趋势，在满带上三价元素原子有从附近吸收一个电子的趋

14、势，在满带上面形成一个新的局部能级，叫面形成一个新的局部能级，叫受主能级受主能级。满带中的电子。满带中的电子很容易跳入该能级。在室温下三价元素原子几乎都形成很容易跳入该能级。在室温下三价元素原子几乎都形成负离子，是不能移动的负电中心，而在满带中产生空穴。负离子，是不能移动的负电中心，而在满带中产生空穴。这种半导体的导电主要是空穴的贡献，称作这种半导体的导电主要是空穴的贡献，称作空穴型空穴型或或P型半导体型半导体。2022-4-30中国科大 汪晓莲 10 N型半导体的本征空穴和型半导体的本征空穴和P型半导体的本征电子也参与型半导体的本征电子也参与导电，称为少数载流子。导电，称为少数载流子。 对于

15、掺杂半导体，除了本征激发产生的电子空穴对以对于掺杂半导体，除了本征激发产生的电子空穴对以外，还有施主杂质提供的电子和受主杂质提供的空穴，外，还有施主杂质提供的电子和受主杂质提供的空穴，所以电子和空穴的浓度不相等。所以电子和空穴的浓度不相等。22Niinnnpnnppnp施施受受在型 半 导 体 中 ，在 P型 半 导 体 中 ，2022-4-30中国科大 汪晓莲 11二、二、PN结（结（pn junction）结合前结合前，N N区的电子比区的电子比P P区多，区多，P P区的区的空穴比空穴比N N区多。区多。结合后结合后，电子由，电子由N N区向区向P P区扩散与空穴区扩散与空穴复合；空穴由

16、复合；空穴由P P区向区向N N区扩散与电子复区扩散与电子复合。扩散的结果形成合。扩散的结果形成PNPN结。结。在在PNPN结区结区，电子空穴很少，剩下的杂，电子空穴很少，剩下的杂质正负离子形成空间电荷区，其质正负离子形成空间电荷区，其内建内建电场电场方向由方向由N N区指向区指向P P区，阻止电子、区，阻止电子、空穴继续扩散，并造成空穴继续扩散，并造成少数载流子的少数载流子的反向漂移运动反向漂移运动。当扩散运动和反向漂。当扩散运动和反向漂移运动达到平衡时，移运动达到平衡时，P P区或区或N N区的电子区的电子空穴浓度就不再变化。空穴浓度就不再变化。这个这个由杂质离子组成的空间电荷由杂质离子组

17、成的空间电荷，即，即PNPN结区结区，亦称，亦称耗尽区，阻挡层，势垒耗尽区，阻挡层，势垒区。区。2022-4-30中国科大 汪晓莲 12内建电势差内建电势差VD，加在，加在PN结两结两边的电位差，势垒高度为边的电位差，势垒高度为eVD。为什么半导体为什么半导体PN结可作为灵结可作为灵敏区？敏区？1）在）在PN结区可移动的载流子基结区可移动的载流子基本被耗尽，只留下电离了的正本被耗尽，只留下电离了的正负电中心，对电导率无贡献，负电中心，对电导率无贡献，其具有很高的电阻率。其具有很高的电阻率。2）PN结加上一定负偏压，耗尽结加上一定负偏压，耗尽区扩展，可达全耗尽，死层极区扩展，可达全耗尽，死层极薄

18、，外加电压几乎全部加到薄，外加电压几乎全部加到PN结上，形成很高电场。结上，形成很高电场。3）漏电流很小，有很好的信噪）漏电流很小，有很好的信噪比。比。2022-4-30中国科大 汪晓莲 13加反向电压，加反向电压，N区接正，区接正， P区接负，外加电场方向与内建电场方区接负，外加电场方向与内建电场方向相同，使耗尽层增厚，漂移运动增强。当带电粒子穿过时产生向相同，使耗尽层增厚，漂移运动增强。当带电粒子穿过时产生电子空穴对，在高电场下分别向正负电极漂移，产生信号。信电子空穴对，在高电场下分别向正负电极漂移，产生信号。信号幅度正比于电子空穴对数目，正比于入射粒子损失能量。所以号幅度正比于电子空穴对

19、数目，正比于入射粒子损失能量。所以加反向偏压的加反向偏压的PN结就是结型半导体探测器的灵敏区。结就是结型半导体探测器的灵敏区。2022-4-30中国科大 汪晓莲 14 非平衡载流子：非平衡载流子：入射粒子产生的载流子。类似气体电入射粒子产生的载流子。类似气体电离，产生一对电子空穴对所需消耗的能量称作平均电离离，产生一对电子空穴对所需消耗的能量称作平均电离能能 0 0， 0 0与与EgEg一样与半导体材料和温度有关。一样与半导体材料和温度有关。 复合和俘获：复合和俘获：1 1）导带上的电子直接被满带中空穴俘获；）导带上的电子直接被满带中空穴俘获；2 2）通过晶体中杂质和晶格缺陷在禁带内的中间能级

20、）通过晶体中杂质和晶格缺陷在禁带内的中间能级 复合中心和俘获中心进行复合中心和俘获中心进行温度温度硅硅Si的的 0锗锗Ge的的 0室温室温300K3.62eV2.80eV低温低温77K3.76eV2.96eV2022-4-30中国科大 汪晓莲 15 载流子寿命：载流子寿命：非平衡载流子数目非平衡载流子数目N N0 0随时间按指数规律随时间按指数规律衰减。衰减。 载流子漂移速度：载流子漂移速度： 扩散长度或俘获长度：扩散长度或俘获长度： 表示非平衡载流子从产生到消失前平均移动的距离。表示非平衡载流子从产生到消失前平均移动的距离。 扩散长度必须大于探测器灵敏区厚度。扩散长度必须大于探测器灵敏区厚度

21、。0tNNe ：非平衡载流子从产生到复合或非平衡载流子从产生到复合或俘获前平均存在的时间俘获前平均存在的时间nnnpppEE电子漂移速度电子迁移率空穴漂移速度空穴迁移率T：单位场强作用下载流子的平均漂移速度，与温度、场强和杂质浓度有关。在一定温度和场强范围内有经验公式，式中 和 是常数，与材料有关，对电子、空穴其值不同。,.,.n pn pn pn pn pLE2022-4-30中国科大 汪晓莲 16 对半导体探测器材料的基本要求对半导体探测器材料的基本要求材料要求材料要求物理要求物理要求L n,p大或大或 n,p大大电荷收集效率高电荷收集效率高能量分辨好能量分辨好Eg大大使用温度高使用温度高

22、抗辐照性能好抗辐照性能好杂质浓度低杂质浓度低灵敏区厚度大灵敏区厚度大原子序数大原子序数大 射线探测效率高射线探测效率高材料和加工工艺合适材料和加工工艺合适可生产有用的探测器可生产有用的探测器2022-4-30中国科大 汪晓莲 174-2 能量测量半导体探测器能量测量半导体探测器一、一、PN结型探测器结型探测器n扩散型扩散型将一种类型的杂质扩散到另一种类型的半导体内形成将一种类型的杂质扩散到另一种类型的半导体内形成PN结。通常是把五价磷在高温下（结。通常是把五价磷在高温下（8001000oC)扩散扩散到到P型硅中，扩散深度由调节温度和时间来控制。从型硅中，扩散深度由调节温度和时间来控制。从而在而

23、在P型硅表面形成高浓度的型硅表面形成高浓度的N层，在层，在P型硅和型硅和N型硅型硅交界处就得到了交界处就得到了PN结结。结区厚结区厚12 m，电极和信号引出的欧姆接触利用真空，电极和信号引出的欧姆接触利用真空沉积或化学镀等方法实现。沉积或化学镀等方法实现。优点：优点：漏电流小，对辐射损伤不灵敏。漏电流小，对辐射损伤不灵敏。1.缺点：缺点：死层较厚，不易获得大面积死层较厚，不易获得大面积PN结，生产过程中结，生产过程中高温处理，导致载流子寿命减小，影响能量分辨率高温处理，导致载流子寿命减小，影响能量分辨率。2022-4-30中国科大 汪晓莲 18 金硅面垒探测器金硅面垒探测器 优点：优点：窗薄，

24、噪声低，不经高温处理，能量分窗薄，噪声低，不经高温处理，能量分辨率高，能量线性响应好。工艺简单，成品率辨率高，能量线性响应好。工艺简单，成品率高，易于制得大面积探测器。高，易于制得大面积探测器。 主要用于测量质子、主要用于测量质子、 粒子和重离子等带电粒子。粒子和重离子等带电粒子。2022-4-30中国科大 汪晓莲 19 制备：制备：利用加速器产生一定能量（利用加速器产生一定能量（5100KeV)的杂的杂质正离子束，直接穿透半导体表面形成质正离子束，直接穿透半导体表面形成PN结。常用结。常用硼离子束轰击硼离子束轰击N型硅，或用磷离子束轰击型硅，或用磷离子束轰击P型硅，调型硅，调节离子束能量和强

25、度，得到所需的掺杂深度和浓度。节离子束能量和强度，得到所需的掺杂深度和浓度。 优点：优点：入射窗薄，薄至入射窗薄，薄至30-40nm。 缺点：缺点：能量分辨率不如面垒型，但比扩散型好。入能量分辨率不如面垒型，但比扩散型好。入射离子束产生强的辐射损伤，形成大量复合和俘获射离子束产生强的辐射损伤，形成大量复合和俘获中心。使用较低能量的离子束和在一定温度下退火，中心。使用较低能量的离子束和在一定温度下退火，可以消除这一效应。可以消除这一效应。2022-4-30中国科大 汪晓莲 20 由于锂在由于锂在Si和和Ge中的电离能较中的电离能较低，在室温下锂全部电离，电低，在室温下锂全部电离，电子进入导带内起

26、施主作用。子进入导带内起施主作用。Li半径小于半径小于Si和和Ge的晶格距离很的晶格距离很多，在电场作用下很容易进入多，在电场作用下很容易进入半导体内部，向深处扩散。半导体内部，向深处扩散。Li 和和P型受主杂质型受主杂质B-由于静电作用由于静电作用形成稳定的形成稳定的 (Li B-)对，达到补对，达到补偿的目的。形成电阻率很高的偿的目的。形成电阻率很高的本征层本征层(I型，亦称型，亦称I区区)，本征层本征层电场很强，是探测器的灵敏区电场很强，是探测器的灵敏区。2022-4-30中国科大 汪晓莲 21 锂漂移型探测器是准本征材料和锂漂移型探测器是准本征材料和PN结的组合，结的组合，常称作常称作

27、NIP探测器。探测器。 本征层厚度：本征层厚度： 最大优点是灵敏层厚，可达最大优点是灵敏层厚，可达0.56mm，适于用，适于用作作 和和 x射线测量。射线测量。 硅锂探测器硅锂探测器Si(Li)，可在室温下工作，在液氮温，可在室温下工作，在液氮温度下性能改善。主要探测度下性能改善。主要探测 射线和低能射线和低能 射线，射线，E 1MeV的电子，厚度为的电子，厚度为100200 m； 探测质子和重粒子，厚度很薄探测质子和重粒子，厚度很薄 十几十几 m；面垒型；面垒型 4 m。 因非耗尽层可忽略，结电容是常数，所以其输出幅度稳定，上因非耗尽层可忽略，结电容是常数，所以其输出幅度稳定，上升时间快，一

28、般为十几升时间快，一般为十几ns，好的可小到，好的可小到2ns。可以用于飞行时间。可以用于飞行时间测量和其他要求快的地方。测量和其他要求快的地方。2022-4-30中国科大 汪晓莲 342. 2. 位置灵敏探测器位置灵敏探测器 在半导体背面做一层高阻层在半导体背面做一层高阻层(10-20K )，在该层两端加上，在该层两端加上电压。若电压。若A端接地端接地B端端接电荷接电荷灵敏放大器，因放大器输入灵敏放大器，因放大器输入阻抗很低，则阻抗很低，则B端输出信号正端输出信号正比于入射粒子位置，称作比于入射粒子位置，称作“位置信号位置信号”。由。由B端输出的端输出的电流信号电流信号为为0ABABRIIR

29、RAAABABRLxRRLLLAABRxVEERRL入射粒子能量入射粒子能量2022-4-30中国科大 汪晓莲 353. 电流型探测器电流型探测器 类似电流脉冲电离室情况，电流型半导体探测器用类似电流脉冲电离室情况，电流型半导体探测器用 于探测脉冲射线源（即快瞬时、高强度的于探测脉冲射线源（即快瞬时、高强度的 、n、X） 的强度和时间行为。所以具有线性响应好、输出脉的强度和时间行为。所以具有线性响应好、输出脉 冲电流与辐照剂量率成正比，输出电流大、时间响冲电流与辐照剂量率成正比，输出电流大、时间响 应快等特点，上升时间小于应快等特点，上升时间小于10ns。 三种制造工艺三种制造工艺 第一种是用

30、化学镀铜工艺和面垒工艺第一种是用化学镀铜工艺和面垒工艺 第二种是双扩散第二种是双扩散NIP电流型探测器电流型探测器 第三种是离子注入第三种是离子注入NIP电流型探测器电流型探测器 2022-4-30中国科大 汪晓莲 364. 4. 内放大探测器内放大探测器类似晶体三极管的放大型和工作在雪类似晶体三极管的放大型和工作在雪崩状态的崩状态的PN结型，类似气体正比计结型，类似气体正比计数器的雪崩二极管发展很快并已获得数器的雪崩二极管发展很快并已获得应用。主要是利用工艺和结构上的办应用。主要是利用工艺和结构上的办法来达到既使电子倍增，又使噪声增法来达到既使电子倍增，又使噪声增加并不严重的目的。加并不严重

31、的目的。三种制作技术：扩散，离子注入（带三种制作技术：扩散，离子注入（带有扩散）以及外延。有扩散）以及外延。 面积约面积约25mm2，厚度对双扩散法可达，厚度对双扩散法可达150 m，双外延法为，双外延法为30 m，放大倍数，放大倍数为为10 80。对。对55Fe的的5.9KeVX射线得到射线得到600eV的能量分辨。的能量分辨。2022-4-30中国科大 汪晓莲 374-3 半导体探测器的主要参量半导体探测器的主要参量一、窗厚一、窗厚 定义：定义：粒子进入探测器灵敏区之前通过的非灵敏区叫窗粒子进入探测器灵敏区之前通过的非灵敏区叫窗或死层。窗厚会导致能量损失并使能量分辨变坏。或死层。窗厚会导致

32、能量损失并使能量分辨变坏。 金硅面垒型的窗金硅面垒型的窗：金层厚度硅的死层金层厚度硅的死层 一般金层厚一般金层厚20100 g/cm2，硅死层厚正比于，硅死层厚正比于 扩散型的窗扩散型的窗：通常为通常为0.5-2 m，较厚。，较厚。 离子注入型的窗离子注入型的窗：与离子束能量有关，可以很薄。对与离子束能量有关，可以很薄。对10K 的高阻硅，窗厚可做到的高阻硅，窗厚可做到0.04 m。 锂漂移型：锂漂移型：从锂扩散面入射，窗是厚的，达从锂扩散面入射，窗是厚的，达0.1-0.3mm。但做成全耗尽型，从背面金层入射，窗较薄，达但做成全耗尽型，从背面金层入射，窗较薄，达0.1 m。 高纯锗：高纯锗：可

33、以象面垒型和离子注入型一样做得较薄。可以象面垒型和离子注入型一样做得较薄。lnBAV2022-4-30中国科大 汪晓莲 38 灵敏区：灵敏区：是是PN结的势垒区、耗尽层或者锂漂移型的补偿区。结的势垒区、耗尽层或者锂漂移型的补偿区。 灵敏区的厚度灵敏区的厚度定义：定义：粒子垂直入射的灵敏区的厚度，记作粒子垂直入射的灵敏区的厚度，记作d。其确定了能探测的粒子的最大能量。其确定了能探测的粒子的最大能量。 对对PN结型结型： 普通的普通的PN结型灵敏区厚度可以从几结型灵敏区厚度可以从几 m-1mm。 高纯锗探测器因有很高的电阻率，可以加很高的偏压，所高纯锗探测器因有很高的电阻率，可以加很高的偏压，所以

34、灵敏区厚度可以做到几以灵敏区厚度可以做到几cm。 对锂漂移型对锂漂移型：灵敏区厚度包括本征补偿层和向两边的外延，灵敏区厚度包括本征补偿层和向两边的外延，由漂移过程决定。一旦做好以后基本为常数。由漂移过程决定。一旦做好以后基本为常数。 对对平面型平面型为为 0.5-10mm 对对同轴型同轴型为为 50-100mm 0.53()1.15()0.32()0.74()NSidVmNGedVmPSidVmPGedVm型型型型21011109VVZdD00DVVdV2022-4-30中国科大 汪晓莲 39 近似情况下，半导体探测器相当于一个填充绝缘介质近似情况下，半导体探测器相当于一个填充绝缘介质的平板电

35、容器。的平板电容器。 锂漂移探测器锂漂移探测器d与工作电压无关，与工作电压无关，Cd接近于常数，一般接近于常数，一般为十几到几十为十几到几十pF。 PN结型结型Cd与工作电压有关，一般为几十到几百与工作电压有关，一般为几十到几百pF。4dSCdd介电常数，S探测器面积绝缘介质厚度211()()()()910 411.3dSSS cmd cmCFpFdd若，则424242421.9 10 /(/)3.2 10 /(/)1.37 10 /(/)2.12 10 /(/)dNdPdNdPCNSiVpF cmSCPSiVpF cmSCNGeVpF cmSCPGeVpF cmS型型型型2022-4-30中

36、国科大 汪晓莲 40 同轴型探测器的结电容：同轴型探测器的结电容：十几至几十十几至几十pF 探测器输出脉冲幅度与电容有关，探测器输出脉冲幅度与电容有关， 为了得到结电容较小的探测器，应选用电阻率高的材为了得到结电容较小的探测器，应选用电阻率高的材料，使用高的工作偏压和减小探测器面积。料，使用高的工作偏压和减小探测器面积。 结电容随工作电压变化，造成能量相同的的入射粒子结电容随工作电压变化，造成能量相同的的入射粒子在灵敏区产生相同的电子空穴对，但输出脉冲幅度在灵敏区产生相同的电子空穴对，但输出脉冲幅度却可能不同，所以却可能不同，所以PN结型半导体探测器必须使用电荷结型半导体探测器必须使用电荷灵敏

37、放大器。灵敏放大器。212lndlCrrdQUC2022-4-30中国科大 汪晓莲 41 要求：要求：二极管伏安特性。二极管伏安特性。 正向电流上升很陡；正向电流上升很陡； 反向电流越小越好。反向电流越小越好。 反向电流三个来源反向电流三个来源：1）扩散电流：）扩散电流：由灵敏区外少由灵敏区外少数载流子扩散到灵敏区内产数载流子扩散到灵敏区内产生，一般很小。但若两电极生，一般很小。但若两电极不是欧姆接触，而是形不是欧姆接触，而是形成另外的成另外的PN结，将使结，将使反向电流大为增加。反向电流大为增加。2022-4-30中国科大 汪晓莲 422）体电流：）体电流：由灵敏区内复合和俘获中心因本征热激

38、发产由灵敏区内复合和俘获中心因本征热激发产生的载流子在外电场作用下向两极运动，形成反向体生的载流子在外电场作用下向两极运动，形成反向体电流。它与灵敏区内本征载流子数目成正比，即与本电流。它与灵敏区内本征载流子数目成正比，即与本征载流子浓度与灵敏区体积以及温度成正比。征载流子浓度与灵敏区体积以及温度成正比。 ：少数载流子寿命。体电流是反向电流的主要部分，：少数载流子寿命。体电流是反向电流的主要部分， 在低温下工作可以大大减小。在低温下工作可以大大减小。3）表面漏电流：）表面漏电流：沿探测器表面的漏电流，与制造工艺、沿探测器表面的漏电流，与制造工艺、表面处理、沾污程度、环境条件等因素有关。会直接表

39、面处理、沾污程度、环境条件等因素有关。会直接影响击穿电压。制造时可采用增加表面沟槽或保护环影响击穿电压。制造时可采用增加表面沟槽或保护环技术，使用时保证干燥和表面清洁，以减少漏电流。技术，使用时保证干燥和表面清洁，以减少漏电流。2ienIds体92621.2 10(/)1.9 10(/)IdSiJA cmIdGeJA cm体体体体ss2022-4-30中国科大 汪晓莲 43五、能量分辨率和线性五、能量分辨率和线性 影响能量分辨率的主要因素：影响能量分辨率的主要因素：1）由电离效应产生的电子空穴对的统计涨落：）由电离效应产生的电子空穴对的统计涨落：02.354EEF电材料材料Z介电常数介电常数密

40、度密度(g/cm3)平均电离功平均电离功 0(eV)法诺因子法诺因子F300K77K理论理论实测实测Si1411.72.333.623.760.0500.069Ge2215.75.332.802.960.1210.058CdTe48，524.460.04302.3542.354FFRNE2022-4-30中国科大 汪晓莲 442）入射粒子与原子核的散射和核反应的统计涨落）入射粒子与原子核的散射和核反应的统计涨落 造成收集电荷的统计涨落迭加在电离起伏上。造成收集电荷的统计涨落迭加在电离起伏上。3）朗道效应和沟道效应）朗道效应和沟道效应 薄的薄的dE/dx探测器或高能粒子的电离损失朗道效应。探测器

41、或高能粒子的电离损失朗道效应。 晶格的特殊方向上单位距离上原子数较少，重带电粒子沿晶格的特殊方向上单位距离上原子数较少，重带电粒子沿该方向入射时电离损失减少沟道效应。该方向入射时电离损失减少沟道效应。4）电子空穴在探测器内的俘获和复合；）电子空穴在探测器内的俘获和复合； 由于俘获和复合造成载流子收集不完全影响能量分辨。由由于俘获和复合造成载流子收集不完全影响能量分辨。由于俘获和复合中心分布不均匀造成输出脉冲起伏，与俘获于俘获和复合中心分布不均匀造成输出脉冲起伏，与俘获中心的类型、数量和空间分布有关，也与入射粒子种类和中心的类型、数量和空间分布有关，也与入射粒子种类和能量有关。要求材料的俘获长度

42、远大于灵敏区厚度。能量有关。要求材料的俘获长度远大于灵敏区厚度。5）探测器和放大器的噪声；）探测器和放大器的噪声； 探测器的噪声主要来源于反向漏电流的起伏。降低工作温探测器的噪声主要来源于反向漏电流的起伏。降低工作温度可以减小噪声。度可以减小噪声。6）探测器窗厚、放射源厚度影响等等。）探测器窗厚、放射源厚度影响等等。 窗厚的影响对低能重粒子明显，使用薄窗探测器。窗厚的影响对低能重粒子明显，使用薄窗探测器。1 24 30.7()EZAKeV核2022-4-30中国科大 汪晓莲 45 能量线性很好能量线性很好 半导体的平均电离功与入射粒子的能量和种类以及探半导体的平均电离功与入射粒子的能量和种类以

43、及探测器的类型无关，只要所产生的电子空穴对全部被收测器的类型无关，只要所产生的电子空穴对全部被收集，探测器输出脉冲与入射粒子能量成正比。集，探测器输出脉冲与入射粒子能量成正比。 半导体探测器对各种粒子都有良好的能量线性。半导体探测器对各种粒子都有良好的能量线性。 ：收集效率收集效率 但对低能重粒子，特别是重离子和核裂片，呈现能量但对低能重粒子，特别是重离子和核裂片，呈现能量非线性。输出脉冲高度非线性。输出脉冲高度U与入射粒子能量与入射粒子能量E关系：关系：0QE eVCCEU ：常数常数， ：脉冲高度亏损脉冲高度亏损2022-4-30中国科大 汪晓莲 46类似平板固体电离室。在电场作用下，入射

44、粒子产生的电子空穴类似平板固体电离室。在电场作用下，入射粒子产生的电子空穴分别向正负电极运动。设半导体探测器内电场均匀分布，其输出分别向正负电极运动。设半导体探测器内电场均匀分布，其输出电压脉冲和电流脉冲可以用气体电离室的公式表示电压脉冲和电流脉冲可以用气体电离室的公式表示由于电子和空穴的漂移速度不同，它们对输出脉冲的贡献不同，由于电子和空穴的漂移速度不同，它们对输出脉冲的贡献不同，输出脉冲形状与产生电离的位置输出脉冲形状与产生电离的位置X X0 0有关。有关。qdxdQd2022-4-30中国科大 汪晓莲 47 三种情况的电压脉冲幅度都是三种情况的电压脉冲幅度都是 实际上入射粒子并不是只在实

45、际上入射粒子并不是只在X0处产生电子空穴对，处产生电子空穴对，而是沿入射路径电离，因而电压脉冲上升时间最大而是沿入射路径电离，因而电压脉冲上升时间最大值值T由空穴最大漂移时间由空穴最大漂移时间T2决定。决定。 上式对全耗尽的锂漂移型适用，上式对全耗尽的锂漂移型适用，T为几十到几百为几十到几百ns。 对对PN结型，由于结区电场不均匀，上述推导不成立。结型，由于结区电场不均匀，上述推导不成立。金硅面垒探测器的金硅面垒探测器的T为几到十几为几到十几ns。00N eUC 220pppdddTTwEV2022-4-30中国科大 汪晓莲 48 半导体探测器的辐照损伤很严重。因为辐照在半导体中半导体探测器的

46、辐照损伤很严重。因为辐照在半导体中会造成晶格缺陷，这些缺陷会成为俘获中心，从而降低会造成晶格缺陷，这些缺陷会成为俘获中心，从而降低载流子的寿命，使电阻率发生变化，材料性能发生变化，载流子的寿命，使电阻率发生变化，材料性能发生变化，导致探测器性能变差。导致探测器性能变差。 辐射损伤与辐射种类、剂量率以及辐照时间和条件有关。辐射损伤与辐射种类、剂量率以及辐照时间和条件有关。 面垒型和扩散型：裂变产物面垒型和扩散型：裂变产物108/cm2 粒子粒子109 1011 /cm2 快中子快中子1011 1014/cm2 慢中子慢中子 1015/cm2 性能没有明显变化性能没有明显变化 射线射线108/cm

47、2s。 5.体积可做得很小。体积可做得很小。 缺点缺点对辐射损伤比较灵敏对辐射损伤比较灵敏, 受到强辐射其性能将变差。受到强辐射其性能将变差。 体电流密度体电流密度/I VV体积体积(cm3)， 粒子流粒子流(粒子粒子/cm2)，对最小电离的质子和对最小电离的质子和介子介子 21017A/cm2022-4-30中国科大 汪晓莲 5612pitch Single Sided Strip Detectorusing n-type silicon with a resistivity of = 2 Kcm results in a depletion voltage 150 VResolution

48、depends on the pitch p (distance from strip to strip)typical pitch values are 20 m 150 m 50 m pitch results in 14.4 m resolution.300mDouble sided silicon detectorsSiO2Al2022-4-30中国科大 汪晓莲 57Silicon strip detector2022-4-30中国科大 汪晓莲 582022-4-30中国科大 汪晓莲 592022-4-30中国科大 汪晓莲 602022-4-30中国科大 汪晓莲 612022-4-30

49、中国科大 汪晓莲 62两个表面的部位最高。在水平方向, 电位分布是靠近正极n+ 最低, 远离n+ 方向的电位高。当带电粒子穿过探测器时产生电子空穴对, 电子就会落入低电位的谷中,然后沿着电场的水平方向分量向电位最低的正极微条n+ 漂移, 形成电信号。信号经过前端电子学电路放大, 数字化读入计算机中, 如图9 的示意图。通过测量电子的漂移时间(从某一个被定义等级的p + 微条到正极n+ 微条) 及被分割开的n+ 读出微条上的坐标就得到了入射粒子的位置信息。它很像气体漂移室, 但它的优点是可以大大节省电子学经费。另外, 电子在耗尽区漂移很长距离才到达面积很小的正电极, 电极之间的电容很小, 因此噪

50、声减小, 有利于提高能量分辨率。还有, 普通的半导体探测器的计数率一般在几十kHz 以下, 硅漂移室由于其电容2022-4-30中国科大 汪晓莲 632022-4-30中国科大 汪晓莲 64三、像素探测器（三、像素探测器（Pixel Detector）2022-4-30中国科大 汪晓莲 65Pixel Detector探测器每个像素和探测器每个像素和电子学集成在相同电子学集成在相同的基片上叫的基片上叫单一型单一型像素探测器像素探测器。2022-4-30中国科大 汪晓莲 66CCD 已经使用几十年了已经使用几十年了, 过去多用在光测量和摄像机上过去多用在光测量和摄像机上, 即使在高即使在高能物理

51、中的应用能物理中的应用, 也是作为火花室和流光室的径迹图像记录。也是作为火花室和流光室的径迹图像记录。近些年科学家们已直接把它用作高能物理探测器近些年科学家们已直接把它用作高能物理探测器, 如如SLD VXD3 探探测器测器, 采用采用96CCDS 3.2 108 = 3.07 108 个像素个像素(20 m20 m) 每个每个CCD 读出通过读出通过4 个输出结个输出结, 8 位位FADC, 全部读出时间是全部读出时间是200ms。日本日本KEK 计划用它来作为未来实验的顶点探测器计划用它来作为未来实验的顶点探测器, 位置分辨率设计位置分辨率设计为为2 m 。 CCD 作为粒子探测器作为粒子

52、探测器, 探测的不再是光探测的不再是光, 而是带电粒子而是带电粒子, 所以它的结所以它的结构也有些变化。当带电粒子射入探测器时构也有些变化。当带电粒子射入探测器时, 产生电子空穴对产生电子空穴对, 电荷传电荷传输在输在CCD 很薄的耗尽区内进行。很薄的耗尽区内进行。CCD的结构是在一块硅片上集成很多的的结构是在一块硅片上集成很多的MOS(金属氧化物半导金属氧化物半导体体)器件，如在器件，如在Si上生成一层上生成一层SiO2绝缘层，上面再沉积一层金属绝缘层，上面再沉积一层金属Pb，每个每个MOS器件类似一个小半导体探测器。器件类似一个小半导体探测器。现代的现代的CCD有线型的有线型的, 还有面型

53、的还有面型的; 从原理结构上分有从原理结构上分有pn-CCD, 也也有有CMOS型的。型的。2022-4-30中国科大 汪晓莲 67PNPN结结CCDCCD结构图结构图 MOS CCDMOS CCD的结构图的结构图 双相双相CCDCCD的结构的结构 2022-4-30中国科大 汪晓莲 68CCD的工作原理的工作原理CCD的单元很小，只有几个的单元很小，只有几个 m2, 间距间距35 m，相邻，相邻单元加不同电压时会使它们收集的电荷相互转移，单元加不同电压时会使它们收集的电荷相互转移，加加一组三重周期性变化的驱动脉冲电压，使电荷定向移一组三重周期性变化的驱动脉冲电压，使电荷定向移向边缘的信号输出

54、电极。因为信号输出电极及读出电向边缘的信号输出电极。因为信号输出电极及读出电子学路数都少，因此这种探测器的信号读出比较慢。子学路数都少，因此这种探测器的信号读出比较慢。CCD的灵敏度较低，只有达到的灵敏度较低，只有达到103电子电子/单元的电荷才单元的电荷才能被记录，故常要与多级微通道倍增器组合使用。能被记录，故常要与多级微通道倍增器组合使用。2022-4-30中国科大 汪晓莲 694-5 半导体探测器的应用半导体探测器的应用一、优点：一、优点：能量线性好能量线性好。能量分辨高能量分辨高。 如对如对5.3MeV 粒子，能量分辨粒子，能量分辨 E=10.8KeV(0.2%)，超过电离室；，超过电离室； 对对1.33MeV 射线，能量分辨射线，能量分辨 E=1.3KeV(0.13%)超过超过NaI(Tl)； 对对5.9KeVx射线，能量分辨射线，能量分辨 E=150eV(1.4%)，超过正比计数器。，超过正比计数器。时间响应快，时间分辨好时间响应快，时间分辨好。脉冲上升时间短，脉冲上升时间短，ns量级，可用于时间量级，可用于时间和快符合测量。和快符合测量。窗薄，死层小窗薄，死层小。