半导体探测器课件

半導體探測器SemiconductorDetector

半導體探測器的基本原理是帶電粒子在半導體探測器的靈敏體積內產生電子－空穴對，電子－空穴對在外電場的作用下漂移而輸出信號。

我們把氣體探測器中的電子－離子對、閃爍探測器中被PMT第一打拿極收集的電子及半導體探測器中的電子－空穴對統稱為探測器的資訊載流子。產生每個資訊載流子的平均能量分別為30eV(氣體探測器)，300eV(閃爍探測器)和3eV(半導體探測器)。半導體探測器的特點：(1)能量解析度最佳；(2)

射線探測效率較高，可與閃爍探測器相比。常用半導體探測器有：(1)P-N結型半導體探測器；(2)鋰漂移型半導體探測器；(3)高純鍺半導體探測器；10.1

半導體的基本性質1、本征半導體和雜質半導體1)本征半導體：

由於熱運動而產生的載流子濃度稱為本征載流子濃度，且導帶中的電子數和價帶中的空穴數嚴格相等。

常用半導體材料為矽(Si)和鍺(Ge)，均為IV族元素.理想、無雜質的半導體.

固體物理理論已證明半導體內的載流子平衡濃度為：

ni和pi為單位體積中的電子和空穴的數目，下標“i”表示本征(Intrinsic)材料。T為材料的絕對溫度，EG為能級的禁帶寬度。2)雜質半導體雜質類型：替位型，間隙型。(1)替位型：III族元素，如B，Al，Ga等； V族元素，如P，As，Sb等(2)間隙型：Li，可在晶格間運動。3)施主雜質(Donorimpurities)與施主能級

施主雜質為V族元素，其電離電位ED很低，施主雜質的能級一定接近禁帶頂部(即導帶底部)。在室溫下，這些雜質原子幾乎全部電離。由於雜質濃度遠大於本征半導體導帶中的電子濃度，多數載流子為電子，雜質原子成為正電中心。摻有施主雜質的半導體稱為N型半導體。電子濃度：施主雜質濃度4)受主雜質(Acceptorimpurities)與受主能級

受主雜質為III族元素，其電離電位EA很低，受主雜質的能級一定很接近禁帶底部(即價帶頂部)，室溫下價帶中電子容易躍遷這些能級上；在價帶中出現空穴。所以，此時多數載流子為空穴，雜質原子成為負電中心。摻有受主雜質的半導體稱為P型半導體。空穴濃度：受主雜質濃度Dopingwithvalence5atomsDopingwithvalence3atomsN-typesemiconductorP-typesemiconductor2、載流子濃度和補償效應1)

載流子濃度空穴濃度：電子濃度：

式中，E1為導帶底；E2為價帶頂。Cn和Cp為與禁帶內能級分佈無關的常數。所以：

可見，對半導體材料，在一定溫度下，n·p僅與禁帶寬度有關。因此，在相同溫度下，本征半導體的相等的兩種載流子密度之積與摻雜半導體的兩種載流子密度之積相等，即：2)

補償效應

對N型半導體：n>p，可以加入受主雜質，使之成為本征半導體，此時n=p=ni，也稱為“准本征半導體”；進一步加入受主雜質，可變為P型半導體，即p>n。但其代價為載流子的壽命將大大縮短。對本征半導體：對雜質半導體：，但仍滿足當n=p時，載流子總數取最小值。3、半導體作為探測介質的物理性能1)平均電離能（w）SiGe300ºK3.62eV77ºK3.76eV2.96eV

入射粒子在半導體介質中平均產生一對電子空穴需要的能量。

半導體中的平均電離能與入射粒子能量無關。在半導體中消耗能量為E時，產生的載流子數目N為：2)載流子的漂移

由於電子遷移率

n

和空穴遷移率

p

相近，與氣體探測器不同，不存在電子型或空穴型半導體探測器。對N型半導體，電子的漂移速度為對P型半導體，空穴的漂移速度為

電場較高時，漂移速度隨電場的增加較慢，最後達到載流子的飽和速度～107cm/s。3)

電阻率與載流子壽命半導體電阻率：本征電阻率：

摻雜將大大降低半導體的電阻率，對矽來說摻雜對電阻率的影響比鍺顯著得多。當半導體材料被冷卻到液氮溫度時將大大提高電阻率。

載流子壽命

--載流子在俘獲以前，可在晶體中自由運動的時間。只有當漂移長度大於靈敏體積的長度才能保證載流子的有效收集。對高純度的Si和Ge

～10-3s，決定了Si和Ge為最實用的半導體材料。

高的電阻率和長的載流子壽命是組成半導體探測器的關鍵。10.2P-N結半導體探測器1、P-N結半導體探測器的工作原理1)P-N結區(勢壘區)的形成

(1)多數載流子擴散，空間電荷形成內電場並形成結區。結區內存在著勢壘，結區又稱為勢壘區。勢壘區內為耗盡層，無載流子存在，實現高電阻率，達，遠高於本征電阻率。(2)P-N結內的電流

If

－能量較高的多子穿透內電場，方向為逆內電場方向；IG－在結區內由於熱運動產生的電子空穴對；IS－少子擴散到結區。

IG，IS的方向為順內電場方向。IfIG,IS平衡狀態時：(3)外加電場下的P-N結：

即在使結區變寬的同時，IG

增加,IS不變，If減小，並出現IL，此時表現的宏觀電流稱為暗電流。在外加反向電壓時的反向電流：

少子的擴散電流，結區面積不變，IS不變；結區體積加大，熱運動產生電子空穴多，IG增大；反向電壓產生漏電流IL

，主要是表面漏電流。

在P-N結上加反向電壓，由於結區電阻率很高，電位差幾乎都降在結區。

反向電壓形成的電場與內電場方向一致。

外加電場使結區寬度增大。反向電壓越高，結區越寬。2)P-N結半導體探測器的特點

(1)結區的空間電荷分佈，電場分佈及電位分佈P-N結內N區和P區的電荷密度分別為：

式中ND和NA分別代表施主雜質和受主雜質濃度；a,b則代表空間電荷的厚度。一般a,b不一定相等，取決於兩邊的雜質濃度，耗盡狀態下結區總電荷為零，即NDa＝NAb。n-typep-type---------------------------------+++++++++++++++電場為非均勻電場：電位分佈可由電場積分得到：(2)結區寬度與外加電壓的關係當x=0時，P區和N區的電位應相等，即又因：所以：耗盡區的總寬度：當ND>>NA時，b>>a。則當NA>>ND時，a>>b。則一般可寫成：Ni為摻雜少的一邊的雜質濃度。(3)結區寬度的限制因素受材料的擊穿電壓的限制：受暗電流的限制，因為：(4)結電容隨工作電壓的變化

根據結區電荷隨外加電壓的變化率，可以計算得到結區電容：

結區電容隨外加電壓變化而變化，外加電壓的不穩定可以影響探測器輸出電壓幅度的不穩定。即：2、P-N結半導體探測器的類型1)擴散結(DiffusedJunction)型探測器採用擴散工藝——高溫擴散或離子注入；材料一般選用P型高阻矽，電阻率為1000；在電極引出時一定要保證為歐姆接觸，以防止形成另外的結。2)金矽面壘(SurfaceBarrier)探測器一般用N型高阻矽，表面蒸金50～100g/cm2

氧化形成P型矽，而形成P-N結。工藝成熟、簡單、價廉。

3、半導體探測器的輸出信號1)輸出回路

須考慮結電阻Rd和結電容Cd，結區外半導體材料的電阻和電容RS，CS。測量儀器2)輸出信號

當R0(Cd+Ca)>>tc

(tc為載流子收集時間)時，為電壓脈衝型工作狀態：輻射在靈敏體積內產生的電子－空穴對數脈衝後沿以時間常數R0(Cd+Ca)

指數規律下降。脈衝前沿從粒子入射至全部載流子被收集(tc)。但是，由於輸出電壓脈衝幅度h與結電容Cd有關，而結電容隨偏壓而變化，因此當所加偏壓不穩定時，將會使h

發生附加的漲落，不利於能譜的測量；為解決該矛盾，PN結半導體探測器通常不用電壓型或電流型前置放大器，而是採用電荷靈敏前置放大器。電荷靈敏放大器的輸入電容極大，可以保證C入

>>Cd

，而C入是十分穩定的，從而大大減小了Cd變化的影響。若回饋電容和回饋電阻為Cf和Rf，則輸出脈衝幅度為：輸出回路的時間常數為：3)載流子收集時間

由於在邊界，電場強度趨於0，定義載流子掃過x＝0.99W的距離的時間為載流子收集時間：可以獲得快的上升時間。4、主要性能

主要用於測量重帶電粒子的能譜，如

,p等，一般要求耗盡層厚度大於入射粒子的射程。1)能量解析度影響能量解析度的因素為：(1)輸出脈衝幅度的統計漲落

式中：F為法諾因數，對Si，F=0.143；對Ge，F=0.129。w為產生一個電子—空穴對所需要的平均能量。能量解析度可用FWHM表示：FWHM或

E稱為半高寬或線寬，單位為：KeV。以210Po的E＝5.304MeV的

粒子為例，對一種PN結探測器，由於輸出脈衝幅度的統計漲落引起的線寬為：(2)探測器和電子學雜訊

探測器的雜訊由P-N結反向電流及表面漏電流的漲落造成；電子學雜訊主要由第一級FET構成，包括：零電容雜訊和雜訊斜率。

雜訊的表示方法：等效雜訊電荷ENC，即放大器輸出雜訊電壓的均方根值等效於放大器輸入端的雜訊電荷，以電子電荷為單位；由於雜訊疊加在射線產生的信號上，使譜線進一步加寬，參照產生信號的射線的能量，用FWHM表示，其單位就是KeV。例如，ENC＝200電子對，由雜訊引起的線寬為：(3)窗厚度的影響式中為單位窗厚度引起的能量損失。得到匯流排寬為：例如：則：2）分辨時間與時間分辨本領：3）能量線性很好，與入射粒子類型和能量基本無關4）輻照壽命

輻照壽命是半導體探測器的一個致命的弱點。半導體探測器隨著使用時間的增加，造成載流子壽命變短，影響載流子的收集。例如，對5.5MeV的

粒子，當達到109cm-2時，解析度開始變壞，達到1011cm-2時明顯變壞。5、應用1）重帶電粒子能譜測量2）dE/dx

探測器

dE/dx探測器工作於全耗盡型或過耗盡型狀態，可用於粒子鑒別。dE/dx探測器的輸出信號為X，能量探測器的輸出信號為Y，其乘積XY＝mZ2而得到粒子譜。

由於一般半導體材料的雜質濃度和外加高壓的限制，耗盡層厚度為1～2mm。對強穿透能力的輻射而言，探測效率受很大的局限。P-N結半導體探測器存在的矛盾：10.3鋰漂移半導體探測器1.鋰的漂移特性及P-I-N結1)間隙型雜質——LiLi為施主雜質，電離能很小～0.033eVLi＋漂移速度當溫度T增大時，

(T)增大，Li+漂移速度增大。2)P-I-N結的形成

基體用P型半導體(因為極高純度的材料多是P型的)，例如摻硼的Si或Ge單晶。(1)一端表面蒸Li，Li離子化為Li+,形成PN結。(2)另一端表面蒸金屬，引出電極。

外加電場，使Li+漂移。Li+與受主雜質(如Ga-)中和，並可實現自動補償形成I區。(3)形成P-I-N結，未漂移補償區仍為P，引出電極。PN+IntrinsicSemiFrontmetallizationOhmicbackcontactTopositivebiasvoltage

由矽作為基體的探測器稱為Si(Li)探測器，由鍺作為基體的探測器稱為Ge(Li)探測器。鋰離子是用於漂移成探測器的唯一的離子。2.鋰漂移探測器的工作原理1)空間電荷分佈、電場分佈及電位分佈I區為完全補償區，呈電中性為均勻電場；I區為耗盡層，電阻率可達1010

cm；I區厚度可達10～20mm，為靈敏體積。雜質濃度電荷分佈電位電場2)工作條件

為了降低探測器本身的雜訊和FET的雜訊，同時為降低探測器的表面漏電流，鋰漂移探測器和場效應管FET都置於真空低溫的容器內，工作於液氮溫度(77K)。

對Ge(Li)探測器，由於鋰在鍺中的遷移率較高，須保持在低溫下，以防止Li+Ga-離子對離解，使Li+沉積而破壞原來的補償；對Si(Li)探測器，由於鋰在矽中的遷移率較低，在常溫下保存而無永久性的損傷。3)由於PIN探測器能量解析度的大大提高，開創了

譜學的新階段。Li漂移探測器的問題：低溫下保存代價很高；漂移的生產週期很長，約30～60天。10.4高純鍺(HPGe)半導體探測器由耗盡層厚度的公式：降低雜質的濃度Ni可提高耗盡層的厚度。

高純鍺半導體探測器是由極高純度的Ge單晶製成的P-N結半導體探測器。雜質濃度為~1010原子/cm3。一般半導體材料雜質濃度為~1015原子/cm3。1.高純鍺探測器的工作原理1)P-N結的構成

採用高純度的P型Ge單晶，一端表面通過蒸發擴散或加速器離子注入施主雜質(如磷或鋰)形成N區和N+，並形成P-N結。另一端蒸金屬形成P+，並作為入射窗。兩端引出電極。

因為雜質濃度極低，相應的電阻率很高。空間電荷密度很小，P區的耗盡層厚度大。2)空間電荷分佈、電場分佈及電位分佈電荷分佈電位電場2.高純鍺探測器的特點1)P區存在空間電荷，HPGe半導體探測器是PN結型探測器。2)P區為非均勻電場。3)P區為靈敏體積，其厚度與外加電壓有關，一般工作於全耗盡狀態。4)HPGe半導體探測器可在常溫下保存，低溫下工作。10.5鋰漂移和HPGe半導體探測器的性能與應用1.結構平面型：體積較小，厚度一般小於2.0cm，常用於低能

或X射線的探測。同軸型：體積較大，用於

射線的探測。

對兩種不同的結構形式，由於空間電荷的作用，靈敏體積內的電場分佈是不同的。2.輸出信號

與電離室相似，載流子漂移速度快，載流子收集時間就短，可以獲得快上升時間的輸出電壓脈衝。其上升時間與入射粒子的位置有關，是變前沿的輸出電壓脈衝。

對平面型和同軸型的本征電流在電容上積分得到的輸出信號的形狀可以定量描述。對平面型探測器:對同軸型探測器:3.性能其中：

Si(Li)和Ge(Li)平面型探測器用於低能

(X)射線的探測，其能量解析度常以55Fe的衰變產物55Mn的KX能量5.95KeV為標準，一般指標約：1)能量解析度：為載流子數的漲落。為漏電流和雜訊；

為載流子由於陷阱效應帶來的漲落，通過適當提高偏置電壓減小。HPGe，Ge(Li)同軸型探測器用於

射線探測，常以60Co能量為1.332MeV的

射線為標準，一般指標約：2)探測效率一般以

3英寸×