【清華大學(xué)工物系課件】電離輻射探測(cè)-工程碩士課程(6)-半導(dǎo)體探測(cè)器解析第一頁，共89頁。whysemiconductordetector?氣體：分辨率較好探測(cè)效率太低閃爍體：探測(cè)效率很好分辨率不好載流子的形成環(huán)節(jié)太多，不斷損失產(chǎn)生載流子需要的能量半導(dǎo)體：分辨率很好：~0.1%@1.33MeV探測(cè)效率較高：比擬NaIw~30eVF:0.2~0.5w~300eVF:~1w~3eVF:~0.12第二頁，共89頁。半導(dǎo)體探測(cè)器（60年代初期發(fā)展起來）的特點(diǎn)：目前常見的半導(dǎo)體探測(cè)器材料有兩種：Si：純度不高，難以做成大的探測(cè)器（載流子壽命）適合帶電粒子測(cè)量（短射程）Ge：純度很高（高純鍺），可以做成較大的探測(cè)器適合γ能譜測(cè)量能量分辨率高探測(cè)效率高，可與閃爍體相比擬緊湊較快的時(shí)間響應(yīng)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(guān)于載流子（電子－空穴對(duì)）的問題：產(chǎn)生（統(tǒng)計(jì)性）運(yùn)動(dòng)損失形成信號(hào)干擾……探測(cè)器性能3第三頁，共89頁。關(guān)于能帶（知識(shí)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(gè)特定的原子，而是從屬于整個(gè)晶體，可以在晶體內(nèi)任何原子核附近出現(xiàn)。E單個(gè)原子的能級(jí)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(gè)電子N個(gè)能級(jí)能級(jí)間隔：10-22eV構(gòu)成晶體的總原子數(shù)：N4第四頁，共89頁。滿帶（價(jià)帶）、禁帶、空帶（導(dǎo)帶）5第五頁，共89頁。第六章半導(dǎo)體探測(cè)器§6.1半導(dǎo)體基本性質(zhì)§6.2均勻型半導(dǎo)體探測(cè)器§6.3P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器§6.4P-I-N型半導(dǎo)體探測(cè)器§6.5高純鍺HPGe半導(dǎo)體探測(cè)器§6.6鋰漂移和HPGe半導(dǎo)體探測(cè)器的性能與應(yīng)用§6.7其它半導(dǎo)體探測(cè)器6第六頁，共89頁?！?.1半導(dǎo)體基本性質(zhì)本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體作為探測(cè)介質(zhì)的物理性能常用半導(dǎo)體材料：Si、Ge(IV族元素)7第七頁，共89頁。一．本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體1.本征半導(dǎo)體(intrinsicsemiconductor)理想的、純凈的半導(dǎo)體。半導(dǎo)體中的電子和空穴密度嚴(yán)格相同，由熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生：禁帶寬度：本征硅：本征鍺：半導(dǎo)體中的載流子密度小，且隨溫度變化。價(jià)帶填滿了電子，導(dǎo)帶上沒有電子金屬中的電子密度：~1022/cm3室溫下的電子與空穴密度：8第八頁，共89頁。2.雜質(zhì)半導(dǎo)體在半導(dǎo)體材料中有選擇地?fù)饺胍恍╇s質(zhì)(ppm或更小)。雜質(zhì)原子在半導(dǎo)體禁帶中產(chǎn)生局部能級(jí)，影響半導(dǎo)體的性質(zhì)。9第九頁，共89頁。3.施主雜質(zhì)和施主能級(jí)V族元素，如P、As、Sb。能級(jí)接近導(dǎo)帶底端能量；室溫下熱運(yùn)動(dòng)使雜質(zhì)原子離化；離化產(chǎn)生的電子進(jìn)入導(dǎo)帶，但價(jià)帶中并不產(chǎn)生空穴。摻有施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體中多數(shù)載流子是電子，叫做N型半導(dǎo)體。多數(shù)載流子(majoritycarriers)少數(shù)載流子(minoritycarriers)例：室溫下，本征硅的載流子密度為：1010cm-3施主摻雜1017atoms/cm3(2ppm)，電子密度：1017/cm3空穴密度：103/cm310第十頁，共89頁。4.受主雜質(zhì)和受主能級(jí)III族元素，如B、Al、Ga。能級(jí)接近價(jià)帶頂端能量；室溫下價(jià)帶中電子容易躍遷這些能級(jí)上；在價(jià)帶中出現(xiàn)空穴。導(dǎo)帶上不產(chǎn)生電子。摻有受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體中多數(shù)載流子是空穴，叫做P型半導(dǎo)體。11第十一頁，共89頁。二．半導(dǎo)體作為探測(cè)介質(zhì)的物理性能1.載流子密度半導(dǎo)體中電子和空穴的密度乘積為，本征半導(dǎo)體的載流子密度ni、pi和雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子密度n、p滿足：EF：費(fèi)米能級(jí)沒有射線，是否會(huì)有載流子（電子－空穴對(duì)）？電子與空穴的數(shù)目是否相等？與半導(dǎo)體的特性有關(guān)12第十二頁，共89頁。3.平均電離能入射粒子在半導(dǎo)體介質(zhì)中平均產(chǎn)生一對(duì)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(dǎo)體中加入受主雜質(zhì)，當(dāng)p>n，N型半導(dǎo)體轉(zhuǎn)化為P型半導(dǎo)體。叫做補(bǔ)償效應(yīng)。當(dāng)p=n，完全補(bǔ)償。2.補(bǔ)償效應(yīng)例如：N型半導(dǎo)體，施主雜質(zhì)幾乎全部電離，n>p。電子與空穴的數(shù)目關(guān)系是否可以改變？我們關(guān)心的是射線產(chǎn)生的載流子，數(shù)目是多少？13第十三頁，共89頁。半導(dǎo)體平均電離能的特點(diǎn)：1.近似與入射粒子種類和能量無關(guān)，根據(jù)電子－空穴對(duì)可以推得入射粒子的能量請(qǐng)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(dǎo)體反應(yīng)，還是與n型、p型半導(dǎo)體反應(yīng)。摻雜量小，不足以改變射線與物質(zhì)相互作用的特點(diǎn)。3.半導(dǎo)體的平均電離能很小～3eV，<<氣體平均電離能(～30eV)嚴(yán)格地講，平均電離能與入射粒子也有一定的關(guān)系：質(zhì)子與α粒子相差2.2%。平均電離能與溫度也有關(guān)系，對(duì)于Si，液氮溫度時(shí)比室溫時(shí)大3%。與射線的能量也有一定的關(guān)系，特別是低能X射線部分。能量降低，平均電離能增大。14第十四頁，共89頁。關(guān)于FANO因子射線在半導(dǎo)體中產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)是服從FANO分布的。FANO因子目前尚難以進(jìn)行準(zhǔn)確地理論估計(jì)，通常由實(shí)驗(yàn)得到充分考慮其它因素對(duì)全能峰的展寬——電子學(xué)噪聲、漂移等。剩下的展寬則由統(tǒng)計(jì)漲落引起——估計(jì)FANO分布。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看：FANO因子的測(cè)量結(jié)果相差甚大，尤其是對(duì)Si?；蛟S也和粒子沉積能量的特點(diǎn)有關(guān)。一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果：Si：0.085~0.16，Ge：0.057~0.12915第十五頁，共89頁。當(dāng)E~1045V/cm時(shí)：達(dá)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(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度不高（E<103V/cm）時(shí)，載流子遷移率正比于場(chǎng)強(qiáng)：300K，(Si)77K，(Ge)77K，(Si)當(dāng)電場(chǎng)升高時(shí)，漂移速度隨電場(chǎng)的增加速率變慢；載流子產(chǎn)生之后的行為？（類比氣體）擴(kuò)散和漂移，通常擴(kuò)散可以忽略不計(jì)（若對(duì)位置精度要求不高）再想想氣體？16第十六頁，共89頁?？昭ㄔ贕e中的漂移速度電場(chǎng)一定時(shí)，低溫的漂移速度大。飽和速度時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)：低溫：Es~103V/cm；室溫：Es~104V/cm。電場(chǎng)強(qiáng)度較小時(shí)，u與場(chǎng)強(qiáng)成正比；電場(chǎng)強(qiáng)度較大時(shí)，u隨場(chǎng)強(qiáng)增加速度變慢。電子在Si中的漂移速度17第十七頁，共89頁。半導(dǎo)體探測(cè)器需要載流子的漂移長(zhǎng)度大于靈敏體積的長(zhǎng)度。5.載流子壽命載流子壽命：從產(chǎn)生到重新陷落(復(fù)合)的平均時(shí)間間隔

(理想晶體：second)。載流子的漂移長(zhǎng)度：高純度的半導(dǎo)體Si和Ge：~103s載流子在產(chǎn)生之后，除了會(huì)發(fā)生擴(kuò)散或在電場(chǎng)下漂移并形成信號(hào)，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(dòng)，最終會(huì)釋放，但是對(duì)信號(hào)沒有貢獻(xiàn)……復(fù)合(recombination)：(deepimpurities)可以捕獲電子和空穴，導(dǎo)致復(fù)合(4b5a)，比直接復(fù)合(1b)要容易使得載流子減少！信號(hào)的收集時(shí)間：10-7～8s射線產(chǎn)生的載流子一定會(huì)對(duì)輸出信號(hào)作出貢獻(xiàn)嗎？（氣體）導(dǎo)帶價(jià)帶通過補(bǔ)償，半導(dǎo)體材料的電阻率可以提高到與本真材料相同，但載流子壽命大大降低18第十八頁，共89頁。摻雜會(huì)大大降低半導(dǎo)體材料的電阻率；降低半導(dǎo)體材料溫度可以提高電阻率。6.電阻率電阻率與電子、空穴濃度及其遷移率有關(guān)室溫：(Si)=2.3105；(Ge)=50~100通過補(bǔ)償效應(yīng)，可以提高電阻率；完全補(bǔ)償時(shí)，n=p，電阻率最高。19第十九頁，共89頁。半導(dǎo)體探測(cè)器材料應(yīng)該具有的特點(diǎn)：長(zhǎng)載流子壽命保證載流子能夠被收集高電阻率漏電流小結(jié)電容小20第二十頁，共89頁?！?.1半導(dǎo)體基本性質(zhì)§6.2均勻型半導(dǎo)體探測(cè)器§6.3P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器§6.4P-I-N型半導(dǎo)體探測(cè)器§6.5高純鍺HPGe半導(dǎo)體探測(cè)器§6.6鋰漂移和HPGe半導(dǎo)體探測(cè)器的性能與應(yīng)用§6.7其它半導(dǎo)體探測(cè)器21第二十一頁，共89頁?！?.2均勻型半導(dǎo)體探測(cè)器帶電粒子與半導(dǎo)體晶體的相互作用均勻型半導(dǎo)體探測(cè)器的工作原理及性能22第二十二頁，共89頁。一.帶電粒子與半導(dǎo)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(jià)帶（滿帶）進(jìn)入導(dǎo)帶：可以從最高價(jià)帶（第一價(jià)帶）進(jìn)入最低導(dǎo)帶（第一導(dǎo)帶）也可以是從更深的滿帶激發(fā)到更高的導(dǎo)帶中?！?0-12s，電子降至第一導(dǎo)帶，空穴上升至第一價(jià)帶。或者是產(chǎn)生δ電子，繼續(xù)電離產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)數(shù)服從法諾分布。對(duì)于Si：F=0.15對(duì)于Ge：F=0.1323第二十三頁，共89頁。二.均勻型半導(dǎo)體探測(cè)器的工作原理及性能相當(dāng)于固體電離室電子-空穴在ps的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生電子－空穴分別向正負(fù)極漂移，在外電路形成電流信號(hào)電子－空穴的收集時(shí)間～10-7s探測(cè)效率遠(yuǎn)大于氣體探測(cè)器工作原理至放大器CRLRdCd+24第二十四頁，共89頁。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(yīng)”：形成“空間電荷”，導(dǎo)致“反向電場(chǎng)”，隨著入射粒子數(shù)目的增多，計(jì)數(shù)器無法工作1/1000的金剛石可用。性能25第二十五頁，共89頁。半導(dǎo)體具有長(zhǎng)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(jìn)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·cm26第二十六頁，共89頁。解決辦法：室溫半導(dǎo)體補(bǔ)償法，提高材料的電阻率利用補(bǔ)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(dǎo)體材料：GaAs，CdTe，CZT(CdZnTe)，HgI2，CVD(ChemicalVaporDeposition)金剛石探測(cè)器27第二十七頁，共89頁。§6.1半導(dǎo)體基本性質(zhì)§6.2均勻型半導(dǎo)體探測(cè)器§6.3P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器§6.4P-I-N型半導(dǎo)體探測(cè)器§6.5高純鍺HPGe半導(dǎo)體探測(cè)器§6.6鋰漂移和HPGe半導(dǎo)體探測(cè)器的性能與應(yīng)用§6.7其它半導(dǎo)體探測(cè)器28第二十八頁，共89頁。§6.3P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器工作原理P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器的類型輸出信號(hào)P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器的性能與應(yīng)用29第二十九頁，共89頁。一．工作原理1.P-N結(jié)(勢(shì)壘區(qū))的形成在P型半導(dǎo)體上摻雜，通過補(bǔ)償效應(yīng)，轉(zhuǎn)化為N型半導(dǎo)體，形成P-N結(jié)。由于密度的差異，電子和空穴朝著密度小的方向擴(kuò)散。擴(kuò)散的結(jié)果形成空間電荷區(qū)，建立起自建電場(chǎng)。在自建電場(chǎng)的作用下，擴(kuò)散與漂移達(dá)到平衡。形成P-N結(jié)區(qū)，也叫勢(shì)壘區(qū)、耗盡區(qū)。電場(chǎng)是均勻的嗎？耗盡了什么？30第三十頁，共89頁。少數(shù)能量較高的多數(shù)載流子（電子or空穴）會(huì)穿過勢(shì)壘區(qū)擴(kuò)散到對(duì)方區(qū)域，形成正向電流（密度）

If

。由于熱運(yùn)動(dòng)在勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生電子空穴，在自建電場(chǎng)作用下形成反向電流（密度）

IG

，擴(kuò)散到勢(shì)壘區(qū)的少數(shù)載流子在電場(chǎng)作用下也會(huì)形成反向電流

IS。達(dá)到平衡時(shí)，平衡前導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶EFEF價(jià)帶P型N型N型P型平衡后EF＋＋＋＋－－－－導(dǎo)帶價(jià)帶導(dǎo)帶價(jià)帶EFg:單位體積e-h對(duì)的產(chǎn)生速度，w:結(jié)區(qū)的厚度31第三十一頁，共89頁。2.外加電場(chǎng)下的P-N結(jié)在外加反向電壓時(shí)的反向電流：少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流，結(jié)區(qū)面積不變，IS不變；結(jié)區(qū)體積加大，熱運(yùn)動(dòng)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(jié)上加反向電壓，由于結(jié)區(qū)電阻率很高，電位差幾乎都降在結(jié)區(qū)。反向電壓形成的電場(chǎng)與自建電場(chǎng)方向一致。外加電場(chǎng)使結(jié)區(qū)寬度增大。反向電壓越高，結(jié)區(qū)越寬。32第三十二頁，共89頁。3.勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)分布勢(shì)壘區(qū)中的電場(chǎng)：空間電荷密度為，由于空間電荷數(shù)相等：E(x)33第三十三頁，共89頁。4.勢(shì)壘區(qū)的寬度可以得到勢(shì)壘高度：所以，勢(shì)壘區(qū)的寬度：對(duì)電場(chǎng)積分，可以得到勢(shì)壘分布：E(x)34第三十四頁，共89頁。5.結(jié)區(qū)電容根據(jù)結(jié)區(qū)電荷隨外加電壓的變化率，可以計(jì)算得到單位面積的結(jié)區(qū)電容：結(jié)區(qū)電容隨外加電壓變化而變化外加電壓的不穩(wěn)定可以影響探測(cè)器輸出電壓幅度的不穩(wěn)定需要想辦法解決，怎么解決？[m][m][pF/cm2][pF/cm2]35第三十五頁，共89頁。Si例如：?jiǎn)枺悍聪蚬ぷ麟妷海拷Y(jié)區(qū)厚度？結(jié)區(qū)電容？W=200mC=51pFV=45V36第三十六頁，共89頁。6.P-N結(jié)的擊穿電壓反向電壓過大，可能造成P-N結(jié)的擊穿。結(jié)區(qū)內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)不均勻，交界處場(chǎng)強(qiáng)最大，容易發(fā)生擊穿。場(chǎng)強(qiáng)增大，載流子在勢(shì)壘區(qū)獲得的能量足以使其它電子由價(jià)帶進(jìn)入導(dǎo)帶，“雪崩擊穿”。反向電流急劇增大?？赡茉斐善茐男缘暮蠊?。電阻率越高，則耗盡層越厚，電場(chǎng)越弱，不易擊穿。加保護(hù)電阻，限制電流，可防止探測(cè)器的擊穿損壞。37第三十七頁，共89頁。二．P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器的類型1.擴(kuò)散結(jié)型探測(cè)器用高電阻率、長(zhǎng)載流子壽命的P型硅來制造。把施主雜質(zhì)(如磷)擴(kuò)散到P型Si材料中，形成P-N結(jié)。施主雜質(zhì)濃度大，結(jié)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(gòu)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(kuò)散結(jié)型探測(cè)器目前已經(jīng)逐漸被其它探測(cè)器所取代，但由于更為“皮實(shí)”，不易受外部因素（如油氣）的影響，仍然在使用。38第三十八頁，共89頁。2.面壘型探測(cè)器主要用N型硅（也可為P型硅）來制作（機(jī)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(cè)器，Si(Au)。入射窗薄，死區(qū)小。對(duì)可見光敏感，會(huì)導(dǎo)致很大的噪聲。不過在粒子能譜測(cè)量過程中所需要的真空條件一般會(huì)同時(shí)解決避光問題。面壘探測(cè)器的入射窗很薄，不能觸碰，對(duì)環(huán)境中的蒸汽污染敏感（真空泵中的油）。39第三十九頁，共89頁。3.離子注入（IonImplantedLayers）另外一種在半導(dǎo)體表面摻雜的方法：將P或B粒子通過加速（～10kV），注入到半導(dǎo)體的表面。加速電壓確定→摻雜深度確定，易于控制與擴(kuò)散結(jié)型相比：在注入后，需要退火以消除射線損傷，<500oC，小于擴(kuò)散結(jié)型摻雜所需要的溫度。晶體結(jié)構(gòu)受影響小，載流子壽命長(zhǎng)。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小：～34nm的Si目前已是商業(yè)化的產(chǎn)品40第四十頁，共89頁。三．輸出信號(hào)1.輸出回路41第四十一頁，共89頁。2.輸出電流脈沖與電荷收集時(shí)間探測(cè)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(shí)間，電子感應(yīng)電流，令：42第四十二頁，共89頁。認(rèn)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(shí)間為，通常，電子和空穴的最大收集時(shí)間為，空穴漂移引起的感應(yīng)電流：最大收集時(shí)間43第四十三頁，共89頁。3.輸出電壓幅度當(dāng)RC>>tc時(shí)，探測(cè)器輸出電壓脈沖幅度為，這時(shí)，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(shí)間常數(shù)RC指數(shù)規(guī)律下降。輸出回路等效電容，而探測(cè)器結(jié)區(qū)電容Cd隨反向工作電壓變化，反向工作偏壓的變化會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)幅度的變化，怎么辦？44第四十四頁，共89頁。采用電荷靈敏前置放大器這時(shí)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(cè)器輸出回路等效電容：45第四十五頁，共89頁。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:46第四十六頁，共89頁。輸出電壓脈沖上升前沿隨電子空穴產(chǎn)生位置變化。會(huì)引起定時(shí)誤差。輸出脈沖的形狀：47第四十七頁，共89頁。四．P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器的性能與應(yīng)用1.能量分辨率(1)統(tǒng)計(jì)漲落的影響探測(cè)器的能量分辨率為，入射粒子產(chǎn)生的電子空穴對(duì)數(shù)服從法諾分布，48第四十八頁，共89頁。(2)探測(cè)器和電子學(xué)的噪聲探測(cè)器的噪聲信號(hào)P-N結(jié)的反向電流：少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流IS；結(jié)區(qū)中熱運(yùn)動(dòng)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(xué)噪聲主要是前置放大器中第一級(jí)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(xué)噪聲49第四十九頁，共89頁。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(cè)器電容100pF，則總的噪聲對(duì)譜線的展寬為：注意：電荷靈敏前置放大器的噪聲與探測(cè)器的電容大小有關(guān)！二者是相加關(guān)系，非平方和！偏壓探測(cè)器結(jié)電容反向電流偏壓有最優(yōu)值50第五十頁，共89頁。(3)窗厚對(duì)能量分辨率的影響不同角度入射的帶電粒子穿過探測(cè)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(duì)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(fù)合并不嚴(yán)重陷入必須考慮，會(huì)影響信號(hào)的幅度，并形成小信號(hào)。10nm金層→5～10keV的α能量損失51第五十一頁，共89頁。2.分辨時(shí)間與時(shí)間分辨本領(lǐng)在P-N結(jié)探測(cè)器中，載流子的收集時(shí)間為10-9～10-8s，這是分辨時(shí)間的極限。分辨時(shí)間受制于探測(cè)器輸出電流脈沖的寬度。時(shí)間分辨本領(lǐng)，要考慮：信號(hào)是什么時(shí)候產(chǎn)生的？脈沖信號(hào)的上升時(shí)間。電壓放大器：10-9～10-8s電流放大器：更小粒子入射與信號(hào)產(chǎn)生時(shí)刻的關(guān)系？時(shí)滯基本為0P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器的時(shí)間分辨本領(lǐng)為ns級(jí)。52第五十二頁，共89頁。3.輻照壽命過量的輻射會(huì)導(dǎo)致：漏電流的增加。分辨率變壞。甚至單能射線出現(xiàn)多個(gè)峰。時(shí)間特性變差。半導(dǎo)體探測(cè)器的正常工作有賴于完美的晶體結(jié)構(gòu)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(diǎn)，尤其是重帶電粒子。53第五十三頁，共89頁。4.P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器的應(yīng)用1.)重帶電粒子的測(cè)量?jī)?yōu)異的能量分辨率和線性譜儀能量(MeV)半寬度(keV)實(shí)驗(yàn)條件參考文獻(xiàn)面壘探測(cè)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(jì)數(shù)器5.30595CsI(Tl)Rev.Sci.Instr.31(1960)974.54第五十四頁，共89頁。2.)dE/dX探測(cè)器3.)半導(dǎo)體夾層譜儀4.)劑量監(jiān)測(cè)55第五十五頁，共89頁。P-N結(jié)型探測(cè)器的不足P-N結(jié)型探測(cè)器適合測(cè)量如α粒子這樣的短射程粒子，但不適合對(duì)穿透力較強(qiáng)的射線進(jìn)行測(cè)量。P-N結(jié)型探測(cè)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(duì)射線的探測(cè)效率太低56第五十六頁，共89頁?！?.1半導(dǎo)體基本性質(zhì)§6.2均勻型半導(dǎo)體探測(cè)器§6.3P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器§6.4P-I-N型半導(dǎo)體探測(cè)器§6.5高純鍺HPGe半導(dǎo)體探測(cè)器§6.6鋰漂移和HPGe半導(dǎo)體探測(cè)器的性能與應(yīng)用§6.7其它半導(dǎo)體探測(cè)器57第五十七頁，共89頁。§6.4P-I-N型半導(dǎo)體探測(cè)器鋰的漂移特性及P-I-N結(jié)的形成鋰漂移探測(cè)器的工作原理PPNNImmcm，V>200cm358第五十八頁，共89頁。一．鋰的漂移特性及P-I-N結(jié)的形成1.間隙型雜質(zhì)——LiLi為施主雜質(zhì)，電離能很小～0.033eVLi＋漂移速度“個(gè)頭”小，擴(kuò)散系數(shù)大。當(dāng)溫度T增大時(shí)，(T)增大，Li+漂移速度增大。59第五十九頁，共89頁。2.P-I-N結(jié)的形成基體用P型半導(dǎo)體(因?yàn)闃O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L(zhǎng)i+,形成PN結(jié)。(2)另一端表面蒸金屬，引出電極。外加電場(chǎng)，使Li+漂移。Li+與受主雜質(zhì)(如Ga-)中和，并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償形成I區(qū)。(3)形成P-I-N結(jié)，未漂移補(bǔ)償區(qū)仍為P，引出電極。60第六十頁，共89頁。PN+IntrinsicFrontmetallizationOhmicbackcontactTopositivebiasvoltage由硅作為基體的探測(cè)器稱為Si(Li)探測(cè)器，由鍺作為基體的探測(cè)器稱為Ge(Li)探測(cè)器。鋰離子是用于漂移成探測(cè)器的唯一的離子。61第六十一頁，共89頁。鋰離子在外加電場(chǎng)作用下向右漂移。NLi較大處會(huì)引起電場(chǎng)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(chǎng)分布。62第六十二頁，共89頁。二．鋰漂移探測(cè)器的工作原理1.空間電荷分布、電場(chǎng)分布及電位分布雜質(zhì)濃度電荷分布電位電場(chǎng)VC關(guān)于I區(qū)：完全補(bǔ)償區(qū)，呈電中性為均勻電場(chǎng)；為耗盡層，電阻率可達(dá)1010cm；厚度可達(dá)10～20mm，為靈敏體積。電容電壓特性63第六十三頁，共89頁。2.工作條件為了降低探測(cè)器本身的噪聲和FET的噪聲，同時(shí)為降低探測(cè)器的表面漏電流，鋰漂移探測(cè)器和場(chǎng)效應(yīng)管FET都置于真空低溫的容器內(nèi)，工作于液氮溫度(77K)。對(duì)Ge(Li)探測(cè)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(duì)離解，使Li+沉積而破壞原來的補(bǔ)償；對(duì)Si(Li)探測(cè)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。64第六十四頁，共89頁。§6.1半導(dǎo)體基本性質(zhì)§6.2均勻型半導(dǎo)體探測(cè)器§6.3P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器§6.4P-I-N型半導(dǎo)體探測(cè)器§6.5高純鍺HPGe半導(dǎo)體探測(cè)器§6.6鋰漂移和HPGe半導(dǎo)體探測(cè)器的性能與應(yīng)用§6.7其它半導(dǎo)體探測(cè)器65第六十五頁，共89頁?！?.5高純鍺HPGe半導(dǎo)體探測(cè)器whyHPGedetector？HPGe的工作原理66第六十六頁，共89頁。一.whyHPGedetector？鋰漂移探測(cè)器需要低溫保存與使用生產(chǎn)周期(鋰漂移時(shí)間)長(zhǎng)：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(shù)產(chǎn)生于70年代中期Ge的純度可以達(dá)到PPT（10-12）Si的純度難以做到這個(gè)純度67第六十七頁，共89頁。二．工作原理耗盡層的寬度：純化，N~1010原子/cm3，一般半導(dǎo)體的純度為1015/cm3利用HPGe，可使W>10mm，形成高純鍺(HPGe)探測(cè)器大體積靈敏區(qū)：增加工作電壓V，降低雜質(zhì)密度N。高純鍺探測(cè)器：P-N結(jié)型探測(cè)器，常溫保存，低溫使用。68第六十八頁，共89頁。P-N結(jié)的構(gòu)成采用高純度的

P型Ge單晶一端表面通過蒸發(fā)擴(kuò)散或加速器離子注入施主雜質(zhì)(如磷或鋰)形成N區(qū)和N+，并形成P-N結(jié)。另一端蒸金屬形成P+，并作為入射窗。兩端引出電極。因?yàn)殡s質(zhì)濃度極低，相應(yīng)的電阻率很高。空間電荷密度很小，P區(qū)的耗盡層厚度大。69第六十九頁，共89頁?？臻g電荷分布、電場(chǎng)分布及電位分布電荷分布電位電場(chǎng)70第七十頁，共89頁。高純鍺探測(cè)器的特點(diǎn)1)P區(qū)存在空間電荷，HPGe半導(dǎo)體探測(cè)器是PN結(jié)型探測(cè)器。2)P區(qū)為非均勻電場(chǎng)。3)P區(qū)為靈敏體積，其厚度與外加電壓有關(guān)，一般工作于全耗盡狀態(tài)。4)HPGe半導(dǎo)體探測(cè)器可在常溫下保存，低溫下工作。71第七十一頁，共89頁?！?.1半導(dǎo)體基本性質(zhì)§6.2均勻型半導(dǎo)體探測(cè)器§6.3P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器§6.4P-I-N型半導(dǎo)體探測(cè)器§6.5高純鍺HPGe半導(dǎo)體探測(cè)器§6.6鋰漂移和HPGe半導(dǎo)體探測(cè)器的性能與應(yīng)用§6.7其它半導(dǎo)體探測(cè)器72第七十二頁，共89頁?！?.6高純鍺和鋰漂移探測(cè)器的性能與應(yīng)用1.結(jié)構(gòu)對(duì)兩種不同的結(jié)構(gòu)形式，由于空間電荷的作用，靈敏體積內(nèi)的電場(chǎng)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(dá)~750cm3，用于射線的探測(cè)。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(cè)。雙端同軸單端同軸型電場(chǎng)徑向一致性較差(角落處)通過磨圓、加長(zhǎng)內(nèi)芯電極可加以改善。73第七十三頁，共89頁。74第七十四頁，共89頁。2.輸出信號(hào)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(shí)間短，可獲得快上升時(shí)間的電壓脈沖。但上升時(shí)間與入射粒子的位置有關(guān)，是變前沿的輸出電壓脈沖。但總電荷量與位置無關(guān)，采用電荷靈敏前放可獲得同樣輸出電壓。平面型探測(cè)器同軸型探測(cè)器可與電離室的輸出信號(hào)進(jìn)行類比75第七十五頁，共89頁。3.能量分辨率其中：為載流子數(shù)的漲落。探測(cè)器及電子儀器噪聲；

為載流子由于陷阱效應(yīng)帶來的漲落，通過適當(dāng)提高偏置電壓減小。Si(Li)和Ge(Li)平面型探測(cè)器多用于低能(X)射線的探測(cè)，其能量分辨率常以55Fe的衰變產(chǎn)物55Mn的KX能量5.95KeV為標(biāo)準(zhǔn)，一般指標(biāo)約：HPGe，Ge(Li)同軸型探測(cè)器用于射線探測(cè)，常以60Co能量為1.332MeV的射線為標(biāo)準(zhǔn)，一般指標(biāo)約：76第七十六頁，共89頁。4.對(duì)γ的探測(cè)效率光電、康普頓、電子對(duì)（>1.022MeV）是探測(cè)γ的基本相互作用高分辨率→用作能譜分析（而非計(jì)數(shù)器）→關(guān)心全能峰→（光電效應(yīng)＋多次康普頓散射）起作用77第七十七頁，共89頁。5.峰康比峰頂計(jì)數(shù)與康普頓坪平均計(jì)數(shù)之比：20~90。增大探測(cè)器靈敏體積改善幾何形狀：長(zhǎng)度＝直徑通過康普頓反符合技術(shù)可進(jìn)一步提高峰康比一個(gè)量級(jí)分析復(fù)雜γ能譜時(shí)，希望有高的峰康比想一想：如何提高峰康比？78第七十八頁，共89頁。6.能量線性非常好對(duì)不同種類的射線，如α，γ，平均電離能差別很小對(duì)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(duì)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(duì)γ射線來講，能量線性可相差6%79第七十九頁，共89頁。7.時(shí)間特性分辨時(shí)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(shí)間常數(shù)較大：ms電荷靈敏前放輸出的信號(hào)經(jīng)過譜儀放大器，脈寬減小，但信噪比仍然較好，可達(dá)μs時(shí)間分辨本領(lǐng)（兩個(gè)因素）：載流子需要100ns的漂移時(shí)間（1cm，探測(cè)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(jié)差80第八十頁，共89頁。各種探測(cè)器測(cè)量分辨率比較探測(cè)器55FeX5.9keV137Cs662keV60Co1332keV241Am5.485MeV屏柵電離室~1%Si(Au)~3‰Si(Li)~3%正比計(jì)數(shù)器~16%Ge(Li)~1.3‰NaI(Tl)~52%~7%~6%81第八十一頁，共89頁。應(yīng)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(fù)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(jì)算機(jī)(譜解析軟件及定量分析軟件)。譜儀的組成：82第八十二頁，共89頁。譜儀的應(yīng)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(yīng)用，也會(huì)用HPGe來測(cè)量中子感生的瞬發(fā)γ射線能譜，進(jìn)行物料分析。NuclearResonanceFluorescence技術(shù)對(duì)核能級(jí)進(jìn)行研究，也需要對(duì)γ能譜進(jìn)行精確測(cè)量。83第八十三頁，共89頁。2)Si(Li)探測(cè)器Si的Z＝14，較小，對(duì)一般能量的射線，其光電截面僅為鍺的1/50，因此，其主要應(yīng)用為：低能量的