核电子学基础-核辐射探测器

1、核电子学与核辐射仪器,覃国秀 Tel:核技术教研室 2011/03/23,本堂课主要内容：,核辐射探测器 3、半导体探测器 （ Semiconductor Detector ） 4、核电子学常用软件,三、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内产生电子空穴对，电子空穴对在外电场的作用下漂移而输出信号。 我们把气体探测器中的电子离子对、闪烁探测器中被 PMT第一打拿极收集的电子及半导体探测器中的电子空穴对统称为探测器的信息载流子。产生每个信息载流子的平均能量分别为30eV(气体探测器)，300eV(闪烁探测器)和3eV(半导体探测器)。,

2、三、半导体探测器,半导体探测器的特点： (1) 能量分辨率最佳； (2) 射线探测效率较高，可与闪烁探测器相比。 常用半导体探测器有： (1) P-N结型半导体探测器； (2) 锂漂移型半导体探测器； (3) 高纯锗半导体探测器。,三、半导体探测器,3.1半导体的基本性质 常用半导体材料为硅(Si)和锗(Ge)，均为IV族元素。 本征半导体和杂质半导体 1) 本征半导体： 理想、无杂质的半导体。由于热运动而产生的载流子浓度称为本征载流子浓度，且导带中的电子数和价带中的空穴数严格相等。固体物理理论已证明半导体内的载流子平衡浓度为：,三、半导体探测器,3.1半导体的基本性质 本征半导体和杂质半导体

3、 2) 杂质半导体 替位型：III族元素，如B，Al，Ga等； V族元素，如P，As，Sb等 间隙型：Li，可在晶格间运动。 施主杂质（施主杂质为V族元素，其电离电位ED很低。在室温下，这些杂质原子几乎全部电离。掺有施主杂质的半导体称为N 型半导体。） 受主杂质（受主杂质为III族元素，其电离电位EA也很低。掺有受主杂质的半导体称为P 型半导体。）,三、半导体探测器,3.1半导体的基本性质 半导体作为探测介质的物理性能 1)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。 2)载流子的漂移 由于电子迁移率n 和 空穴迁移率p 相近，与气体探测器不同，不存在电子型或空穴型半导体

4、探测器。,三、半导体探测器,3.1半导体的基本性质 半导体作为探测介质的物理性能 3) 电阻率与载流子寿命 掺杂将大大降低半导体的电阻率，对硅来说掺杂对电阻率的影响比锗显著得多。当半导体材料被冷却到液氮温度时将大大提高电阻率。 载流子寿命-载流子在俘获以前，可在晶体中自由运动的时间。只有当漂移长度大于灵敏体积的长度才能保证载流子的有效收集。对高纯度的Si和Ge 10-3s，决定了Si和Ge为最实用的半导体材料。,半导体电阻率：,三、半导体探测器,3.2 P-N结半导体探测器 P-N结半导体探测器的工作原理 1) P-N结区(势垒区)的形成,多数载流子扩散，空间电荷形成内电场并形成结区。结区内存

5、在着势垒，结区又称为势垒区。势垒区内为耗尽层，无载流子存在，实现高电阻率。,三、半导体探测器,3.2 P-N结半导体探测器 P-N结半导体探测器的工作原理 1) P-N结区(势垒区)的形成 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。反向电压形成的电场与内电场方向一致。外加电场使结区宽度增大。反向电压越高，结区越宽。 在外加反向电压时的反向电流： 少子的扩散电流，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。 即在使结区变宽的同时，IG 增加, IS不变，并出现IL，此时表现的宏观电流称为暗电流

6、。,三、半导体探测器,3.2 P-N结半导体探测器 P-N结半导体探测器的工作原理 2) P-N结半导体探测器的特点 结区的空间电荷分布，电场分布,P-N结内N区和P区的电荷密度分别为：,式中ND和NA分别代表施主杂质和受主杂质浓度；a,b则代表空间电荷的厚度。一般a,b不一定相等，取决于两边的杂质浓度，耗尽状态下结区总电荷为零，即NDaNAb。,三、半导体探测器,3.2 P-N结半导体探测器 P-N结半导体探测器的工作原理 2) P-N结半导体探测器的特点 结区的空间电荷分布，电场分布,电场为非均匀电场：,三、半导体探测器,3.2 P-N结半导体探测器 P-N结半导体探测器的工作原理 2)

7、P-N结半导体探测器的特点 结区宽度与外加电压的关系 结区宽度的限制因素及结电容随工作电压的变化 受材料的击穿电压的限制；受暗电流的限制。 结区电容随外加电压变化而变化，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。,Ni为掺杂少的一边的杂质浓度。,三、半导体探测器,3.2 P-N结半导体探测器 P-N结半导体探测器的类型 1) 扩散结(Diffused Junction)型探测器 采用扩散工艺高温扩散或离子注入；材料一般选用P型高阻硅，电阻率为1000；在电极引出时一定要保证为欧姆接触，以防止形成另外的结。 2) 金硅面垒(Surface Barrier)探测器 一般用N型高阻硅，表面

8、蒸金50100g/cm2 氧化形成P型硅，而形成P-N结。工艺成熟、简单、价廉。,三、半导体探测器,3.2 P-N结半导体探测器 P-N结半导体探测器的输出电路,三、半导体探测器,3.3锂漂移半导体探测器 锂的漂移特性及P-I-N结 1)间隙型杂质Li Li为施主杂质，电离能很小 0.033eV,Li漂移速度,2)P-I-N结的形成,三、半导体探测器,3.3锂漂移半导体探测器 锂的漂移探测器工作原理 空间电荷、电场及电位分布,I区为完全补偿区，呈电中性为均匀电场； I区为耗尽层，电阻率可达1010cm； I区厚度可达1020mm，为灵敏体积。,杂质,电位,电场,电 荷,三、半导体探测器,3.4

9、高纯锗半导体探测器 由耗尽层厚度的公式： 降低杂质的浓度Ni可提高耗尽层的厚度。高纯锗半导体探测器是由极高纯度的Ge单晶制成的 P-N结 半导体探测器。杂质浓度为1010原子/cm3。 一般半导体材料杂质浓度为1015原子/cm3。,三、半导体探测器,3.4高纯锗半导体探测器 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。,HPGe半导体探测器可在常温下保存，低温下工作。,Q V E,三、半导体探测器,3.5锂漂移和HPGe半导体探测器的应用 HPGe和Ge(Li)用于组成

10、谱仪：锗具有较高的密度和较高的原子序数(Z=32)。 谱仪的应用：活化分析；X射线荧光分析；核物理研究等。 Si(Li)探测器： 由于Si的Z14，对一般能量的射线，其光电截面仅为锗的1/50，因此，其主要应用为： 低能量的射线和X射线测量， 在可得到较高的光电截面的同时，Si的X射线逃逸将明显低于锗的X射线逃逸；粒子或其他外部入射的电子的探测，由于其原子序数较低，可减少反散射。,四、核电子学常用软件,EWB EWB是一种虚拟的仿真电子工作平台，在电子技术界广为应用。其特点是：图形界面操作易学易用，快捷方便，真实准确，使用EWB可实现大部分硬件电路实验的功能。 电子工作平台的设计实验工作区犹如

11、一块“面包板”，在上面可建立各种电路进行仿真实验。电子工作平台的器件库可为用户提供350多种常用的模拟和数字器件，设计和实验时可任意调用。虚拟器件在仿真时可设定为理想和实际模式，有的虚拟器件还可直观显示。电子工作平台还具有强大的分析功能，可进行直流工作点分析，暂态和稳态分析，高版本的EWB还可进行傅里叶变换分析、噪声及失真度分析等。,四、核电子学常用软件,EWB,仿 真 界 面,四、核电子学常用软件,EWB EWB的使用步骤 （1）用虚拟器件在工作区建立电路； （2）选定元件的模式、参数值和标号； （3）连接信号源等虚拟仪器； （4）选择分析功能和参数； （5）激活电路进行仿真； （6）保存电

12、路图和仿真结果。,四、核电子学常用软件,EWB,设 计 电 路 图,四、核电子学常用软件,EWB,示 波 器 显 示,四、核电子学常用软件,Protel 99 SE 随着计算机技术的发展，计算机软件在电路设计中的应用越来越广泛，OrCad，Protel等都是人们熟悉的常用EDA软件。Protel 99 SE是Protel公司推出的最新版本，应用于电路原理图设计、电路板设计等，他基于Windows环境，功能强大，人机界面友好，能让人们在具有最完整的功能环境下，提升设计上的品质和效率。,四、核电子学常用软件,Protel 99 SE （1）电路原理图设计的步骤 电路原理图的设计是整个电路设计的基础

13、，因此电路原理图要设计好，以免影响后面的设计工作。电路原理图的设计一般有如下步骤： 设置原理图设计环境； 放置元件； 原理图布线； 编辑和调整； 检查原理图； 生成网络表。 （2）印刷电路板设计的步骤 印刷电路板设计是从电路原理图变成一个具体产品的必经之路，因此，印刷电路板设计是电路设计中最重要、最关键的一步。通常，印刷电路板设计的具体步骤如下： 规划电路板； 设置参数； 装入网络表； 元器件布局； 自动布线； 手动布线。,四、核电子学常用软件,电原理图,四、核电子学常用软件,Protel 99 SE,印制板图,四、核电子学常用软件,Protel 99 SE,电路板3D视图,四、核电子学常用软件,Multisim Multisim是IIT公司推出的，Multisim 提供了全面集成化的设计环境，完成从原理图设计输入、电路仿真分析到电路功能测试