半導體探測器第1頁/共100頁2半導體探測器（60年代初期發(fā)展起來）的特點：目前常見的半導體探測器材料有兩種：Si：純度不高，難以做成大的探測器（載流子壽命）適合帶電粒子測量（短射程）Ge：純度很高（高純鍺），可以做成較大的探測器適合γ能譜測量能量分辨率高探測效率高，可與閃爍體相比擬緊湊較快的時間響應尺寸較小，難以做大易受射線損傷本章討論的核心，仍然是關于載流子（電子－空穴對）的問題：產(chǎn)生（統(tǒng)計性）運動損失形成信號干擾……探測器性能第2頁/共100頁3關于能帶（知識介紹）晶體內(nèi)電子的公有化

晶體內(nèi)的外層電子不再從屬于某個特定的原子，而是從屬于整個晶體，可以在晶體內(nèi)任何原子核附近出現(xiàn)。E單個原子的能級晶體中：原子緊密、規(guī)則地排列相鄰原子間的作用顯著起來電子不僅受自身原子核的庫侖作用，也受周圍其它原子核的作用外層電子“公有化”E晶體中的能帶N個電子N個能級能級間隔：10-22eV第3頁/共100頁4滿帶（價帶）、禁帶、空帶（導帶）第4頁/共100頁5第十章半導體探測器§10.1半導體基本性質§10.2均勻型半導體探測器§10.3P-N結型半導體探測器§10.4P-I-N型半導體探測器§10.5高純鍺HPGe半導體探測器§10.6鋰漂移和HPGe半導體探測器的性能與應用§10.7其它半導體探測器第5頁/共100頁6§10.1半導體基本性質一．本征半導體與雜質半導體二．半導體作為探測介質的物理性能常用半導體材料：Si、Ge(IV族元素)第6頁/共100頁7一．本征半導體與雜質半導體1.本征半導體(intrinsicsemiconductor)理想的、純凈的半導體。半導體中的電子和空穴密度嚴格相同，由熱運動產(chǎn)生：禁帶寬度：室溫下的本征硅，

本征鍺，半導體中的載流子密度小，且隨溫度變化。價帶填滿了電子，導帶上沒有電子金屬中的電子密度：~1022/cm3第7頁/共100頁82.雜質半導體在半導體材料中有選擇地摻入一些雜質(ppm或更小)。雜質原子在半導體禁帶中產(chǎn)生局部能級，影響半導體的性質。第8頁/共100頁93.施主雜質和施主能級V族元素，如P、As、Sb。能級接近導帶底端能量；室溫下熱運動使雜質原子離化；離化產(chǎn)生的電子進入導帶，但價帶中并不產(chǎn)生空穴。摻有施主雜質的半導體中多數(shù)載流子是電子，叫做N型半導體。多數(shù)載流子(majoritycarriers)少數(shù)載流子(minoritycarriers)第9頁/共100頁104.受主雜質和受主能級III族元素，如B、Al、Ga。能級接近價帶頂端能量；室溫下價帶中電子容易躍遷這些能級上；在價帶中出現(xiàn)空穴。導帶上不產(chǎn)生電子。摻有受主雜質的半導體中多數(shù)載流子是空穴，叫做P型半導體。第10頁/共100頁11二．半導體作為探測介質的物理性能1.載流子密度半導體中電子和空穴的密度乘積為，本征半導體的載流子密度ni、pi和雜質半導體的載流子密度n、p滿足：EF：費米能級沒有射線，是否會有載流子（電子－空穴對）？電子與空穴的數(shù)目是否相等？與半導體的特性有關第11頁/共100頁123.平均電離能入射粒子在半導體介質中平均產(chǎn)生一對電子空穴需要的能量。300K，w(Si)=3.62eV77K，w(Si)=3.76eV，w(Ge)=2.96eV如果在N型半導體中加入受主雜質，當p>n，N型半導體轉化為P型半導體。叫做補償效應。當p=n，完全補償。2.補償效應例如：N型半導體，施主雜質幾乎全部電離，n>p

。電子與空穴的數(shù)目關系是否可以改變？我們關心的是射線產(chǎn)生的載流子，數(shù)目是多少？第12頁/共100頁13半導體平均電離能的特點：1.近似與入射粒子種類和能量無關，根據(jù)電子－空穴對可以推得入射粒子的能量請回顧一下氣體和閃爍體的情況？2.入射粒子電離產(chǎn)生的電子和空穴的數(shù)目是相同的。無論是與本征半導體反應，還是與n型、p型半導體反應。摻雜量小，不足以改變射線與物質相互作用的特點。3.半導體的平均電離能很小～3eV，<<氣體平均電離能(～30eV)嚴格地講，平均電離能與入射粒子也有一定的關系：質子與α粒子相差2.2%。平均電離能與溫度也有關系，對于Si，液氮溫度時比室溫時大3%。與射線的能量也有一定的關系，特別是低能X射線部分。能量降低，平均電離能增大。第13頁/共100頁14關于FANO因子射線在半導體中產(chǎn)生的電子－空穴對是服從FANO分布的。FANO因子目前尚難以進行準確地理論估計，通常由實驗得到充分考慮其它因素對全能峰的展寬——電子學噪聲、漂移等。剩下的展寬則由統(tǒng)計漲落引起——估計FANO分布。由實驗結果來看：FANO因子的測量結果相差甚大，尤其是對Si?；蛟S也和粒子沉積能量的特點有關。一些實驗結果：Si：0.085~0.16，Ge：0.057~0.129第14頁/共100頁15當E~1045V/cm時：達到飽和漂移速度~107cm/s.4.載流子的遷移率遷移率隨溫度下降而上升，近似∝T-2/3300K，(Ge)空穴遷移率比電子遷移率小，但不過相差2～3倍，當電場強度不高（E<103V/cm）時，載流子遷移率正比于場強：300K，(Si)77K，(Ge)77K，(Si)當電場升高時，漂移速度隨電場的增加速率變慢；載流子產(chǎn)生之后的行為？（類比氣體）擴散和漂移，通常擴散可以忽略不計（若對位置精度要求不高）第15頁/共100頁16空穴在Ge中的漂移速度電場一定時，低溫的漂移速度大。飽和速度時的場強：低溫：Es~103V/cm；室溫：Es~104V/cm。電場強度較小時，u與場強成正比；電場強度較大時，u隨場強增加速度變慢。電子在Si中的漂移速度第16頁/共100頁17半導體探測器需要載流子的漂移長度大于靈敏體積的長度。5.載流子壽命載流子壽命：從產(chǎn)生到重新陷落(復合)的平均時間間隔

。載流子的漂移長度：高純度的半導體Si和Ge：

~103s載流子在產(chǎn)生之后，除了會發(fā)生擴散或在電場下漂移并形成信號，還有可能發(fā)生：陷落(trap)：Au，Zn，Cd等的存在，使載流子陷落，不能移動，最終會釋放，但是對信號沒有貢獻……復合(recombination)：既可以捕獲電子和空穴，導致復合

使得載流子減少！信號的收集時間：10-7～8s射線產(chǎn)生的載流子一定會對輸出信號作出貢獻嗎？（氣體）第17頁/共100頁18半導體探測器材料應該具有的特點：長載流子壽命保證載流子能夠被收集高電阻率漏電流小結電容小第18頁/共100頁19§10.1半導體基本性質§10.2均勻型半導體探測器§10.3P-N結型半導體探測器§10.4P-I-N型半導體探測器§10.5高純鍺HPGe半導體探測器§10.6鋰漂移和HPGe半導體探測器的性能與應用§10.7其它半導體探測器第19頁/共100頁20§10.2均勻型半導體探測器帶電粒子與半導體晶體的相互作用均勻型半導體探測器的工作原理及性能第20頁/共100頁21一.帶電粒子與半導體晶體的相互作用帶電粒子與晶體中的電子相互作用，迅速損失能量。電子由價帶（滿帶）進入導帶：可以從最高價帶（第一價帶）進入最低導帶（第一導帶）也可以是從更深的滿帶激發(fā)到更高的導帶中?！?0-12s，電子降至第一導帶，空穴上升至第一價帶?；蛘呤钱a(chǎn)生δ電子，繼續(xù)電離產(chǎn)生的電子－空穴對數(shù)服從法諾分布。對于Si：F=0.15對于Ge：F=0.13第21頁/共100頁22二.均勻型半導體探測器的工作原理及性能相當于固體電離室。電子-空穴在ps的時間內(nèi)產(chǎn)生電子－空穴分別向正負極漂移，在外電路形成電流信號。電子－空穴的收集時間～10-7s探測效率遠大于氣體探測器。工作原理至放大器CRLRdCd+第22頁/共100頁23早期使用金剛石（絕緣晶體）電阻率高載流子壽命很短(10-8s)：載流子來不及被收集“極化效應”：形成“空間電荷”，導致“反向電場”，隨著入射粒子數(shù)目的增多，計數(shù)器無法工作1/1000的金剛石可用。性能第23頁/共100頁24半導體具有長的載流子壽命(ms)，能夠避免上述問題，但是？大暗電流，漲落→噪聲。發(fā)熱，使電阻率進一步降低晶體材料溫度[K]空穴遷移率μp[厘米2/伏·秒]空穴壽命τp[秒]μp`τp[厘米2/伏]金剛石300120010－810－5硅3005002×10－31摻金硅14010410－710－3鍺300180010－31.8鍺781.5×10410－315碲30056010－85×10－6砷化銦3003×1046×10－82×10－3砷化鎵3001037×10－77×10－4硫化鎘3005010－85×10－7碲化鎘3001002×10－62×10－4碲鋅鎘3008010－68×10－5碘化汞300410－54×10－5要求ρ>107Ω·cm第24頁/共100頁25解決辦法：室溫半導體補償法，提高材料的電阻率利用補償法制備具有本征電阻率的硅晶體，在100K的低溫下工作，則電阻率可以滿足要求。在N型硅中摻雜3倍于施主數(shù)目的金。載流子壽命變短。選擇禁帶寬度大的材料，在室溫下本征電阻率也足夠高，例如化合物半導體材料：GaAs，CdTe，CZT(CdZnTe)，HgI2，CVD(ChemicalVaporDeposition)金剛石探測器第25頁/共100頁26§10.1半導體基本性質§10.2均勻型半導體探測器§10.3P-N結型半導體探測器§10.4P-I-N型半導體探測器§10.5高純鍺HPGe半導體探測器§10.6鋰漂移和HPGe半導體探測器的性能與應用§10.7其它半導體探測器第26頁/共100頁27§10.3P-N結型半導體探測器一．工作原理二．P-N結型半導體探測器的類型三．輸出信號四．P-N結型半導體探測器的性能與應用第27頁/共100頁28一．工作原理1.P-N結(勢壘區(qū))的形成在P型半導體上摻雜，通過補償效應，轉化為N型半導體，形成P-N結。由于密度的差異，電子和空穴朝著密度小的方向擴散。擴散的結果形成空間電荷區(qū)，建立起自建電場。在自建電場的作用下，擴散與漂移達到平衡。形成P-N結區(qū)，也叫勢壘區(qū)、耗盡區(qū)。電場是均勻的嗎？耗盡了什么？第28頁/共100頁29少數(shù)能量較高的多數(shù)載流子（電子or空穴）會穿過勢壘區(qū)擴散到對方區(qū)域，形成正向電流

If

。由于熱運動在勢壘區(qū)產(chǎn)生電子空穴，在自建電場作用下形成反向電流

IG

，擴散到勢壘區(qū)的少數(shù)載流子在電場作用下也會形成反向電流

IS

。達到平衡時，平衡前N型導帶導帶P型N型P型平衡后價帶價帶EFEFEF導帶價結區(qū)帶＋＋＋＋－－－－第29頁/共100頁302.外加電場下的P-N結在外加反向電壓時的反向電流：少數(shù)載流子的擴散電流，結區(qū)面積不變，IS不變；結區(qū)體積加大，熱運動產(chǎn)生電子空穴多，IG增大；反向電壓產(chǎn)生漏電流IL

，主要是表面漏電流。在P-N結上加反向電壓，由于結區(qū)電阻率很高，電位差幾乎都降在結區(qū)。反向電壓形成的電場與自建電場方向一致。外加電場使結區(qū)寬度增大。反向電壓越高，結區(qū)越寬。第30頁/共100頁313.勢壘區(qū)的電場分布在高電阻率半導體材料表面摻雜形成勢壘區(qū)。

勢壘區(qū)中的電場：

空間電荷密度為，

由于空間電荷數(shù)相等：E(x)第31頁/共100頁324.勢壘區(qū)的寬度可以得到勢壘高度：所以，勢壘區(qū)的寬度：對電場積分，可以得到勢壘分布：E(x)第32頁/共100頁336.P-N結的擊穿電壓反向電壓過大，可能造成P-N結的擊穿。結區(qū)內(nèi)場強不均勻，交界處場強最大，容易發(fā)生擊穿。場強增大，載流子在勢壘區(qū)獲得的能量足以使其它電子由價帶進入導帶，“雪崩擊穿”。反向電流急劇增大。可能造成破壞性的后果。電阻率越高，則耗盡層越厚，電場越弱，不易擊穿。加保護電阻，限制電流，可防止探測器的擊穿損壞。第33頁/共100頁34關于P-N結的反向電流1.)少數(shù)載流子擴散電流IS半導體物理給出：半導體材料處于本征態(tài)時的載流子濃度，N、P型層半導體中的少數(shù)載流子壽命越小越好，即本征電阻率要高。Si比Ge好，越長越好，需要選擇載流子壽命高的材料大，IS大？少數(shù)載流子變多，IS變大從結區(qū)寬度的角度來考慮，還是選擇讓電阻率大些。PN結由雙方的多數(shù)載流子擴散形成→PN結將會抑制多數(shù)載流子的進一步擴散→但是第34頁/共100頁352.)結區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的電子空穴對造成的反向電流IG’半導體物理給出：ρ:基體半導體（結區(qū)主要分布于其中）的電阻率τ：其中的少數(shù)載流子壽命μ：多數(shù)載流子的遷移率W：結區(qū)的寬度τ大，則半導體內(nèi)雜質與缺陷越少，2a,3a,4a,5a發(fā)生的概率小，所以IG‘小。第35頁/共100頁36例：以P型硅做基體材料，則：若V=250V，則：同樣材料：故應重視IG’。結區(qū)寬度不應太大——如無必要，不應選擇高電阻材料或增大反向電壓。例如，測量低能重帶電粒子的情況。第36頁/共100頁373.)表面電流IL表面溝道電流的產(chǎn)生機構NPi反型層（N型）Si表面懸掛鍵Si表面的懸掛鍵使P-N結面積增大，使IS和IG’都變大。表面處復合中心多，載流子的產(chǎn)生率較之內(nèi)部更高，IG’增加更為顯著。若表面吸附金屬離子和水蒸氣較多，則產(chǎn)生離子導電（N區(qū)沿表面至P區(qū)），構成表面電流IL，往往很大，可以到mA量級。第37頁/共100頁38二．P-N結型半導體探測器的類型1.擴散結型探測器用高電阻率、長載流子壽命的P型硅來制造。把施主雜質(如磷)擴散到P型Si材料中，形成P-N結。施主雜質濃度大，結區(qū)幾乎全部在P型區(qū)內(nèi)。N型區(qū)很?。?.1～2.0m。N型區(qū)之外的表面層構成了死層(deadlayer)，入射窗。在粒子譜儀中，入射窗的存在是不受歡迎的。高溫使載流子壽命減小。擴散結型探測器目前已經(jīng)逐漸被其它探測器所取代，但由于更為“皮實”，不易受外部因素（如油氣）的影響，仍然在使用。第38頁/共100頁392.面壘型探測器主要用N型硅（也可為P型硅）來制作（機制還不是很清楚）。在N型Si上蒸薄Au，透過Au層的氧化作用，形成P型氧化層。叫做金硅面壘探測器，Si(Au)。入射窗薄，死區(qū)小。對可見光敏感，會導致很大的噪聲。不過在粒子能譜測量過程中所需要的真空條件一般會同時解決避光問題。面壘探測器的入射窗很薄，不能觸碰，對環(huán)境中的蒸汽污染敏感（真空泵中的油）。第39頁/共100頁403.離子注入（IonImplantedLayers）另外一種在半導體表面摻雜的方法：將P或B粒子通過加速（～10kV），注入到半導體的表面。加速電壓確定→摻雜深度確定，易于控制與擴散結型相比：在注入后，需要退火以消除射線損傷，<500oC，小于擴散結型摻雜所需要的溫度。晶體結構受影響小，載流子壽命長。與面壘型相比：離子注入更穩(wěn)定，受環(huán)境條件影響小。入射窗的厚度可以很?。骸?4nm的Si目前已是商業(yè)化的產(chǎn)品4.鈍化平面探測器PassivatedPlanarDetectors新型的Si壘探測器制造方法。結合了離子注入和光刻辦法。漏電流很小，性能優(yōu)越第40頁/共100頁415.全耗盡型探測器(FullyDepletedDetectors)金硅面壘探測器的一種工作狀態(tài)——“全耗盡”n型硅p+勢壘進入半導體的深度電場強度沒有n型區(qū)的死層電場均勻電容降低且不隨電壓變化時間特性好（0.2ns），可用于定時可用于粒子鑒別消除了未耗盡時的電阻噪聲，改善ηT第41頁/共100頁42三．輸出信號1.輸出回路第42頁/共100頁432.輸出電流脈沖與電荷收集時間

探測器中電子的漂移速度，從電子產(chǎn)生位置x0到x積分，可以得到電子漂移時間，電子感應電流，令：第43頁/共100頁44認為電子漂移到x=0.99W處就把電子電荷全部收集，則電子的收集時間為，通常，電子和空穴的最大收集時間為，

空穴漂移引起的感應電流：最大收集時間第44頁/共100頁453.輸出電壓幅度當RC>>tc時，探測器輸出電壓脈沖幅度為，這時，輸出電壓脈沖前沿由電流脈沖形狀決定，后沿以輸出回路時間常數(shù)RC指數(shù)規(guī)律下降。

輸出回路等效電容，而探測器結區(qū)電容Cd隨反向工作電壓變化，反向工作偏壓的變化會導致輸出信號幅度的變化，怎么辦？第45頁/共100頁46采用電荷靈敏前置放大器。這時前置放大器的輸出脈沖幅度為，

電荷靈敏前置放大器等效輸入電阻：探測器輸出回路等效電容：第46頁/共100頁47等效輸出回路RC：輸出回路等效電阻：電荷靈敏前置放大器輸出脈沖后沿按照RfCf指數(shù)下降:第47頁/共100頁48輸出電壓脈沖上升前沿隨電子空穴產(chǎn)生位置變化。會引起定時誤差。輸出脈沖的形狀：第48頁/共100頁49四．P-N結型半導體探測器的性能與應用1.能量分辨率(1)統(tǒng)計漲落的影響

探測器的能量分辨率為，

入射粒子產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)服從法諾分布，第49頁/共100頁50(2)探測器和電子學的噪聲探測器的噪聲信號P-N結的反向電流：少數(shù)載流子的擴散電流IS；結區(qū)中熱運動產(chǎn)生電子空穴的反向電流IG；反向電壓產(chǎn)生漏電流IL，主要是表面漏電流。電子學噪聲主要是前置放大器中第一級的噪聲。等效噪聲電荷ENC：放大器輸出端噪聲電壓均方根值等效到輸入端的電荷數(shù)。比較：電子學噪聲第50頁/共100頁51電荷靈敏前置放大器的噪聲參數(shù)：零電容噪聲(keV)；噪聲斜率(keV/pF)。例如：一電荷靈敏前置放大器，零電容噪聲1keV，噪聲斜率0.03keV/pF。若探測器電容100pF，則總的噪聲對譜線的展寬為：注意：電荷靈敏前置放大器的噪聲與探測器的電容大小有關！二者是相加關系，非平方和！偏壓探測器結電容反向電流偏壓有最優(yōu)值第51頁/共100頁52(3)窗厚對能量分辨率的影響不同角度入射的帶電粒子穿過探測器的窗厚度不同，在窗中損失的能量不同，造成能譜展寬，

各種因素對系統(tǒng)能量分辨率的影響，…………(4)電子－空穴“陷入”的影響載流子少→電子－空穴的復合并不嚴重陷入必須考慮，會影響信號的幅度，并形成小信號。10nm金層→5～10keV的α能量損失第52頁/共100頁532.分辨時間與時間分辨本領在P-N結探測器中，載流子的收集時間為10-9～10-8s，這是分辨時間的極限。分辨時間受制于探測器輸出電流脈沖的寬度。時間分辨本領，要考慮：信號是什么時候產(chǎn)生的？脈沖信號的上升時間。電壓放大器：10-9～10-8s電流放大器：更小粒子入射與信號產(chǎn)生時刻的關系？時滯基本為0P-N結半導體探測器的時間分辨本領為ns級。第53頁/共100頁543.輻照壽命半導體探測器的正常工作有賴于完美的晶體結構以減少載流子的陷落，保證完整的電荷收集。輻射卻有可能破壞這一點，尤其是重帶電粒子。過量的輻射會導致：漏電流的增加。分辨率變壞。甚至單能射線出現(xiàn)多個峰。時間特性變差?？祀娮樱?014/cm2質子：1012~13/cm2α粒子：1011/cm2裂變碎片：3×108/cm2中子：3×1011/cm2γ射線：106R（劑量）Frenkeldefect填隙空位對：電子：幾個中子：多2～3量級第54頁/共100頁554.P-N結型半導體探測器的應用1.)重帶電粒子的測量優(yōu)異的能量分辨率和線性譜儀能量(MeV)半寬度(keV)實驗條件參考文獻面壘探測器5.48011面積7mm2，溫度30CP.Siffert,Thesis,Strasbourg(1966).電離室5.68114充氣：氬+0.8%乙炔Zh.Eksp.Teor.Fiz.43(1962)426.閃爍計數(shù)器5.30595CsI(Tl)Rev.Sci.Instr.31(1960)974.第55頁/共100頁562.)dE/dX探測器3.)半導體夾層譜儀4.)劑量監(jiān)測第56頁/共100頁57P-N結型探測器的不足P-N結型探測器適合測量如α粒子這樣的短射程粒子，但不適合對穿透力較強的射線進行測量。P-N結型探測器靈敏體積的線度一般不超過1mm

1MeV的粒子在硅中的射程~1.6mm對射線的探測效率太低第57頁/共100頁58§10.1半導體基本性質§10.2均勻型半導體探測器§10.3P-N結型半導體探測器§10.4P-I-N型半導體探測器§10.5高純鍺HPGe半導體探測器§10.6鋰漂移和HPGe半導體探測器的性能與應用§10.7其它半導體探測器第58頁/共100頁59§10.4P-I-N型半導體探測器鋰的漂移特性及P-I-N結的形成鋰漂移探測器的工作原理PPNNImmcm，V>200cm3第59頁/共100頁60一．鋰的漂移特性及P-I-N結的形成1.間隙型雜質——LiLi為施主雜質，電離能很小～0.033eVLi＋漂移速度“個頭”小，擴散系數(shù)大。當溫度T增大時，(T)增大，Li+漂移速度增大。第60頁/共100頁612.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，并可實現(xiàn)自動補償形成I區(qū)。(3)形成P-I-N結，未漂移補償區(qū)仍為P，引出電極。第61頁/共100頁62PN+IntrinsicFrontmetallizationOhmicbackcontactTopositivebiasvoltage

由硅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。鋰離子是用于漂移成探測器的唯一的離子。第62頁/共100頁63鋰離子在外加電場作用下向右漂移。NLi較大處會引起電場變化，加速多余的鋰離子向右漂移。ab鋰離子漂移區(qū)域不存在空間電荷，為均勻電場分布。第63頁/共100頁64二．鋰漂移探測器的工作原理1.空間電荷分布、電場分布及電位分布雜質濃度電荷分布電位電場關于I區(qū)：完全補償區(qū)，呈電中性為均勻電場；為耗盡層，電阻率可達1010cm；厚度可達10～20mm，為靈敏體積。第64頁/共100頁652.工作條件為了降低探測器本身的噪聲和FET的噪聲，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都置于真空低溫的容器內(nèi)，工作于液氮溫度(77K)。對Ge(Li)探測器由于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)探測器由于鋰在硅中的遷移率較低，在常溫下保存而無永久性的損傷。第65頁/共100頁66要求低溫條件：室溫下，離子對會離解；降低反向電流和噪聲。第66頁/共100頁67§10.1半導體基本性質§10.2均勻型半導體探測器§10.3P-N結型半導體探測器§10.4P-I-N型半導體探測器§10.5高純鍺HPGe半導體探測器§10.6鋰漂移和HPGe半導體探測器的性能與應用§10.7其它半導體探測器第67頁/共100頁68§10.5高純鍺HPGe半導體探測器一．whyHPGedetector？二.HPGe的工作原理三.HPGe的制備過程第68頁/共100頁69一.whyHPGedetector？鋰漂移探測器需要低溫保存與使用生產(chǎn)周期(鋰漂移時間)長：30～60天1980年之后，Ge(Li)已經(jīng)停止生產(chǎn)，并被HPGe所取代HPGe技術產(chǎn)生于70年代中期Ge的純度可以達到PPT（10-12）Si的純度難以做到這個純度（也許是熔點問題？Si:1410℃，Ge:959℃）第69頁/共100頁70二．工作原理耗盡層的寬度：純化，N~1010原子/cm3，一般半導體的純度為1015/cm3利用HPGe，可使W>10mm，形成高純鍺(HPGe)探測器大體積靈敏區(qū)：增加工作電壓V，降低雜質密度N。高純鍺探測器：P-N結型探測器，常溫保存，低溫使用。第70頁/共100頁71P-N結的構成采用高純度的P型Ge單晶一端表面通過蒸發(fā)擴散或加速器離子注入施主雜質(如磷或鋰)形成N區(qū)和N+，并形成P-N結。另一端蒸金屬形成P+，并作為入射窗。兩端引出電極。因為雜質濃度極低，相應的電阻率很高?？臻g電荷密度很小，P區(qū)的耗盡層厚度大。第71頁/共100頁72空間電荷分布、電場分布及電位分布電荷分布電位電場第72頁/共100頁73高純鍺探測器的特點1)P區(qū)存在空間電荷，HPGe半導體探測器是PN結型探測器。2)P區(qū)為非均勻電場。3)P區(qū)為靈敏體積，其厚度與外加電壓有關，一般工作于全耗盡狀態(tài)。4)HPGe半導體探測器可在常溫下保存，低溫下工作。第73頁/共100頁74三.HPGe探測器的制備過程第74頁/共100頁75第75頁/共100頁76§10.1半導體基本性質§10.2均勻型半導體探測器§10.3P-N結型半導體探測器§10.4P-I-N型半導體探測器§10.5高純鍺HPGe半導體探測器§10.6鋰漂移和HPGe半導體探測器的性能與應用§10.7其它半導體探測器第76頁/共100頁77§10.6高純鍺和鋰漂移探測器的性能與應用1.結構

對兩種不同的結構形式，由于空間電荷的作用，靈敏體積內(nèi)的電場分布是不同的。單端同軸雙端同軸型表面漏電流較大，增加噪聲。同軸型：體積較大，靈敏區(qū)體積可達~750cm3，用于射線的探測。平面型：體積較小(10～30cm3)，厚度一般小于2.0cm，常用于低能或X射線的探測。雙端同軸單端同軸型電場徑向一致性較差(角落處)通過磨圓、加長內(nèi)芯電極可加以改善。第77頁/共100頁78可以做得很大，但同時電容會變大；減小r1，可降低結電容第78頁/共100頁792.輸出信號載流子：電子和空穴。漂移速度很快，電子數(shù)倍于空穴，載流子收集時間短，可獲得快上升時間的電壓脈沖。但上升時間與入射粒子的位置有關，是變前沿的輸出電壓脈沖。但總電荷量與位置無關，采用電荷靈敏前放可獲得同樣輸出電壓。平面型探測器同軸型探測器可與電離室的輸出信號進行類比第79頁/共100頁803.能量分辨率其中：為載流子數(shù)的漲落。探測器及電子儀器噪聲；

為載流子由于陷阱效應帶來的漲落，通過適當提高偏置電壓減小。Si(Li)和Ge(Li)平面型探測器多用于低能(X)射線的探測，其能量分辨率常以55Fe的衰變產(chǎn)物55Mn的KX能量5.95KeV為標準，一般指標約：HPGe，Ge(Li)同軸型探測器用于射線探測，常以60Co能量為1.332MeV的射線為標準，一般指標約：第80頁/共100頁814.對γ的探測效率光電、康普頓、電子對（>1.022MeV）是探測γ的基本相互作用高分辨率→用作能譜分析（而非計數(shù)器）→關心全能峰→（光電效應＋多次康普頓散射）起作用第81頁/共100頁82~85cm3的HPGe

測量的探測效率~19%。全能峰效率：絕對全能峰效率本征全能峰效率相對全能峰效率通常為相對33吋的NaI(Tl)晶體的探測效率（全能峰）體積探測效率能量分辨率第82頁/共100頁835.峰康比峰頂計數(shù)與康普頓坪平均計數(shù)之比：20~90。增大探測器靈敏體積改善幾何形狀：長度＝直徑通過康普頓反符合技術可進一步提高峰康比一個量級分析復雜γ能譜時，希望有高的峰康比想一想：如何提高峰康比？第83頁/共100頁846.能量線性非常好對不同種類的射線，如α，γ，平均電離能差別很小對同種類但能量不同的射線，差別也很小，如γ射線150～300keV(<0.03%)300～1300keV(<0.02%)對比：NaI(Tl)不同種類粒子的差別：α射線與γ的閃爍效率相差5倍不同能量的差別：對γ射線來講，能量線性可相差6%第84頁/共100頁857.時間特性分辨時間：電流脈沖寬度為107sec。出于能量分辨率的考慮，電荷靈敏前放的時間常數(shù)較大：ms電荷靈敏前放輸出的信號經(jīng)過譜儀放大器，脈寬減小，但信噪比仍然較好，可達μs時間分辨本領（兩個因素）：載流子需要100ns的漂移時間（1cm，探測器的厚度）不同位置產(chǎn)生的載流子具有很不同的脈沖形狀。比P-N結差第85頁/共100頁86各種探測器測量分辨率比較探測器55FeX5.9keV137Cs662keV60Co1332keV241Am5.485MeV屏柵電離室~1%Si(Au)~3‰Si(Li)~3%正比計數(shù)器~16%Ge(Li)~1.3‰NaI(Tl)~52%~7%~6%第86頁/共100頁87ORTEC的HPGe產(chǎn)品第87頁/共100頁88應用1.)HPGe和Ge(Li)用于組成譜儀：鍺具有較高的密度和較高的原子序數(shù)(Z=32)探頭(晶體＋前置放大器＋低溫裝置)；譜放大器(穩(wěn)定性，抗過載，極零調(diào)節(jié)，基線恢復等);多道脈沖幅度分析器(一般大于4000道，現(xiàn)在一般都帶有數(shù)字穩(wěn)譜功能)；計算機(譜解析軟件及定量分析軟件)。譜儀的組成：第88頁/共100頁89譜儀的應用：活化分析；核物理研究等。在活化分析中，需要根據(jù)γ能譜來判斷核素的組成。在工業(yè)應用，也會用HPGe來測量中子感生的瞬發(fā)γ射線能譜，進行物料分析。NuclearResonanceFluorescence技術對核能級進行研究，也需要對γ能譜進行精確測量。第89頁/共100頁902)Si(Li)探測器Si的Z＝14，較小，對一般能量的射線，其光電截面僅為鍺的1/50，因此，其主要應用為：低能量的射線和X射線測量：在可得到較高的光電截面的同時，Si的X射線逃逸將明顯低于鍺的X射線逃逸；粒子或其它外部入射的電子的探測：由于其原子序數(shù)較低，可減少反散射X射線熒光分析記錄幅度分析前放主放FETSi(Li)樣品源第90頁/共100頁91核材料的檢測The90to130keVregionofatypicalplutoniumspectrum.第91頁/共100頁92xcooler可以實現(xiàn)和液氮制冷同樣的效果。無需杜瓦瓶，不必添加液氮。只要有電源，可以在任何地方使用，非常方便。低能（<500keV）射線的分辨率稍差（<10%的變差ORTEC）機械振動引入噪聲（microphonicnoise），影響分辨率似乎還比較“脆弱”第92頁/共