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1、半导体探测器第1页，共48页，编辑于2022年，星期五 半半导导体体探探测测器器的的基基本本原原理理是是带带电电粒粒子子在在半半导导体体探探测测器器的的灵灵敏敏体体积积内内产产生生电电子子空空穴穴对对，电电子子空空穴穴对对在外电场的作用下在外电场的作用下漂移漂移而输出信号。而输出信号。我我们们把把气气体体探探测测器器中中的的电电子子离离子子对对、闪闪烁烁探探测测器器中中被被 PMT第第一一打打拿拿极极收收集集的的电电子子 及及半半导导体体探探测测器器中中的的电电子子空空穴穴对对统统称称为为探探测测器器的的信信息息载载流流子子。产产生生每每个个信信息息载载流流子子的的平平均均能能量量分分别别为为
2、30eV(气气体体探探测测器器)，300eV(闪烁探测器闪烁探测器)和和3eV(半导体探测器半导体探测器)。第2页，共48页，编辑于2022年，星期五半导体探测器半导体探测器的特点：的特点：(1)能量分辨率最佳能量分辨率最佳；(2)射线探测效率较高射线探测效率较高，可与闪烁探测器相，可与闪烁探测器相比。比。常用半导体探测器常用半导体探测器有：有：(1)P-N结型结型半导体探测器；半导体探测器；(2)锂漂移型锂漂移型半导体探测器；半导体探测器；(3)高纯锗高纯锗半导体探测器；半导体探测器；第3页，共48页，编辑于2022年，星期五10.1 半导体的基本性质半导体的基本性质1、本征半导体和杂质半导
3、体本征半导体和杂质半导体1)1)本征本征半导体半导体：由于热运动而产生的由于热运动而产生的载流子浓度载流子浓度载流子浓度载流子浓度称为称为本征载流子浓度本征载流子浓度，且导带中的且导带中的电子数电子数电子数电子数和价带中的和价带中的空穴数空穴数空穴数空穴数严格相等严格相等严格相等严格相等。常用半导体材料为常用半导体材料为硅硅(Si)和和锗锗(Ge)，均为，均为IV族元素族元素.理想、无杂质的半导体理想、无杂质的半导体.固体物理理论已证明半导体内的固体物理理论已证明半导体内的载流子平衡浓度载流子平衡浓度为为：ni和和pi为为单单位位体体积积中中的的电电子子和和空空穴穴的的数数目目，下下标标“i”
4、表表示示本本征征(Intrinsic)材材料料。T为为材材料料的的绝绝对对温温度，度，EG为能级的禁带宽度。为能级的禁带宽度。第4页，共48页，编辑于2022年，星期五2)2)杂质杂质半导体半导体杂质类型：杂质类型：替位型替位型，间隙型间隙型。(1)替位型替位型：III族元素族元素，如，如B，Al，Ga等；等；V族元素族元素，如，如P，As，Sb等等(2)间隙型间隙型：Li，可在晶格间运动。，可在晶格间运动。3)3)施主施主杂质杂质(Donor impurities)与与施主施主能级能级 施施主主杂杂质质为为V V族族族族元元素素，其其电电离离电电位位E ED D很很低低，施施主主杂杂质质的的
5、能能级级一一定定接接近近禁禁带带顶顶部部(即即导导带带底底部部)。在在室室温温下下，这这些些杂杂质质原原子子几几乎乎全全部部电电离离。由由于于杂杂质质浓浓度度远远大大于于本本征征半半导导体体导导带带中中的的电电子子浓浓度度，多多多多数数数数载载载载流流流流子子子子为为电电子子，杂杂质质原原子子成成为为正正电电中中心心。掺掺有有施施主主杂杂质质的的半半导导体体称称为为N 型型半半导导体体。电子浓度电子浓度：施主杂质浓度施主杂质浓度第5页，共48页，编辑于2022年，星期五4)4)受主受主杂质杂质(Acceptor impurities)与与受主受主能级能级 受主杂质受主杂质为为III族族元素，其
6、元素，其电离电位电离电位EA很很低低，受主杂质的受主杂质的能级能级一定很一定很接近接近禁带底部禁带底部(即价带顶部即价带顶部)，室温下价带中电子容易跃迁，室温下价带中电子容易跃迁这些能级上；在价带中出现空穴。所以，此这些能级上；在价带中出现空穴。所以，此时时多数载流子多数载流子为为空穴空穴，杂质原子成为，杂质原子成为负电负电中心中心。掺有。掺有受主杂质受主杂质的半导体称为的半导体称为P 型半型半导体导体。空穴浓度空穴浓度：受主杂质浓度受主杂质浓度第6页，共48页，编辑于2022年，星期五Doping with valence 5 atomsDoping with valence 3 atoms
7、N-type semiconductorP-type semiconductor第7页，共48页，编辑于2022年，星期五2、载流子浓度和补偿效应载流子浓度和补偿效应1)载流子浓度载流子浓度空穴浓度空穴浓度：电子浓度电子浓度：式中，式中，E1为导带底；为导带底；E2为价带顶。为价带顶。Cn和和Cp为与禁带内为与禁带内能级分布无关的能级分布无关的常数常数。所以所以：可见，对半导体材料，在一定温度下，可见，对半导体材料，在一定温度下，np仅与禁带宽度仅与禁带宽度有关有关。因此，在。因此，在相同温度下相同温度下，本征半导体本征半导体的相等的的相等的两种载两种载流子密度之积流子密度之积与与掺杂半导体掺
8、杂半导体的的两种载流子密度之积两种载流子密度之积相等，即：相等，即：第8页，共48页，编辑于2022年，星期五2)补偿效应补偿效应 对对N型型半半导导体体：n p，可可以以加加入入受受主主杂杂质质，使使之之成成为为本本征征半半导导体体，此此时时n=p=ni，也也称称为为“准准本本征征半半导导体体”；进进一一步步加加入入受受主主杂杂质质，可可变变为为P型型半半导导体体，即即p n。但但其代价为其代价为载流子的寿命将大大缩短载流子的寿命将大大缩短。对本征半导体对本征半导体：对杂质半导体对杂质半导体：，但仍满足，但仍满足当当 n=p 时，载流子总数时，载流子总数 取最小值。取最小值。第9页，共48页
9、，编辑于2022年，星期五3 3、半导体作为探测介质的物理性能半导体作为探测介质的物理性能1)1)平均电离能平均电离能 （w）SiGe300K3.62eV 77K3.76eV2.96eV 入射粒子在半导体介质中入射粒子在半导体介质中平均平均产生产生一对电子空一对电子空穴穴需要的能量。需要的能量。半半导导体体中中的的平平均均电电离离能能与与入入射射粒粒子子能能量量无无关关。在在半半导导体体中中消消耗耗能能量量为为E时时，产产生生的的载载流流子子数数目目N为：为：第10页，共48页，编辑于2022年，星期五2)2)载流子的漂移载流子的漂移 由由于于 电电子子迁迁移移率率 n 和和 空空穴穴迁迁移移
10、率率 p 相相近近，与与气气体体探探测测器器不不同同，不不存存在在电电子子型型或或空空穴穴型型半半导导体体探探测测器。器。对对N型半导体型半导体，电子的漂移速度为，电子的漂移速度为对对P型半导体型半导体，空穴的漂移速度为，空穴的漂移速度为 电场较高时，漂移速度随电场的增加较慢，最后达电场较高时，漂移速度随电场的增加较慢，最后达到到载流子载流子的的饱和速度饱和速度107cm/s。第11页，共48页，编辑于2022年，星期五3)电阻率电阻率与与载流子寿命载流子寿命半导体电阻率半导体电阻率：本征电阻率本征电阻率：掺杂将大大降低半导体的电阻率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，对硅来
11、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。大提高电阻率。载流子寿命载流子寿命-载流子在俘获以前，可在晶体中自由运载流子在俘获以前，可在晶体中自由运动的时间。只有当漂移长度动的时间。只有当漂移长度 大于灵敏体积的大于灵敏体积的长度才能保证载流子的有效收集。对高纯度的长度才能保证载流子的有效收集。对高纯度的Si和和Ge 10-3s，决定了，决定了Si和和Ge为最实用的半导体材料。为最实用的半导体材料。高的电阻率高的电阻率和和长的载流子寿命长的载流子寿命是组成半导是组成半导体探测器的关键。体探测器的关键。第1
12、2页，共48页，编辑于2022年，星期五10.2 P-N结半导体探测器结半导体探测器1、P-N结半导体探测器的工作原理结半导体探测器的工作原理1)P-N结区结区(势垒区势垒区)的形成的形成 (1)多多数数载载流流子子扩扩散散，空空间间电电荷荷形形成成内内电电场场并并形形成成结结区区。结结区区内内存存在在着着势势垒垒，结结区区又又称称为为势势垒垒区区。势势垒垒区区内内为为耗耗尽尽层层，无无载载流流子子存存在在，实实现现高高电电阻阻率率，达达 ，远高于本征电阻率远高于本征电阻率。第13页，共48页，编辑于2022年，星期五(2)P-N结内的电流结内的电流 If 能量较高的能量较高的多子穿透多子穿透
13、内内电场，方向为电场，方向为逆逆内电场方向内电场方向；IG 在结区内由于在结区内由于热运动产生热运动产生的电子空穴对；的电子空穴对；IS 少子扩散少子扩散到结区。到结区。IG，IS的方向为的方向为顺顺内电场方向内电场方向。IfIG,IS平衡状态时：平衡状态时：第14页，共48页，编辑于2022年，星期五(3)外加电场下的外加电场下的P-N结：结：即即在在使使结结区区变变宽宽的的同同时时，IG 增增加加,IS不不变变，If减减小小，并并出现出现IL，此时表现的宏观电流称为，此时表现的宏观电流称为暗电流暗电流。在外加反向电压时的在外加反向电压时的反向电流：反向电流：少子的扩散电流，结区面积不变，少
14、子的扩散电流，结区面积不变，IS 不变不变；结区体积加大，热运动产生电子空穴多，结区体积加大，热运动产生电子空穴多，IG 增大增大；反向电压产生反向电压产生漏电流漏电流 IL，主要是表面漏电流。，主要是表面漏电流。在在P-N结上加结上加反向电压反向电压，由于结区电阻率很高，电位差，由于结区电阻率很高，电位差几乎都降在结区。几乎都降在结区。反向电压形成的电场与内电场方向一致。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。外加电场使结区宽度增大。反向电压越高，结区越宽。第15页，共48页，编辑于2022年，星期五2)P-N结半导体探测器的特点结半导体探测器的特
15、点 (1)结区的空间电荷分布，电场分布及电位分布结区的空间电荷分布，电场分布及电位分布P-N结结内内N区区和和P区区的的电荷密度电荷密度分别为：分别为：式式中中ND和和NA分分别别代代表表施施主主杂杂质质和和受受主主杂杂质质浓浓度度；a,b则则代代表表空空间间电电荷荷的的厚厚度度。一一般般a,b不不一一定定相相等等，取取决决于于两两边边的的杂杂质质浓浓度度，耗耗尽尽状状态态下下结结区区总总电电荷荷为为零零，即即即即N ND D a aNA A b b。n-typep-type-+第16页，共48页，编辑于2022年，星期五电场为电场为非均匀电场：非均匀电场：电位分布电位分布可由电场积分得到可由
16、电场积分得到：第17页，共48页，编辑于2022年，星期五(2)结区宽度结区宽度与与外加电压外加电压的关系的关系当当x=0时，时，P区区和和N区区的电位应相等，即的电位应相等，即又因：又因：所以：所以：耗尽区的总宽度耗尽区的总宽度：当当NDNA时，时，ba。则。则当当NAND时，时，ab。则。则一般可写成：一般可写成：Ni为为掺杂少掺杂少的一边的的一边的杂质浓度杂质浓度。第18页，共48页，编辑于2022年，星期五(3)结区宽度结区宽度的限制因素的限制因素受材料的受材料的击穿电压击穿电压的限制：的限制：受受暗电流暗电流的限制，因为：的限制，因为：(4)结电容结电容随工作电压的变化随工作电压的变
17、化 根据结区电荷随外加电压的变化率，可以计算得根据结区电荷随外加电压的变化率，可以计算得到结区电容：到结区电容：结区电容随外加电压变化而变化，外加电压的不稳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。定可以影响探测器输出电压幅度的不稳定。即：即：第19页，共48页，编辑于2022年，星期五2、P-N结半导体探测器的类型结半导体探测器的类型1)1)扩散结扩散结(Diffused Junction)型探测器型探测器采用采用扩散工艺扩散工艺高温扩散高温扩散或或离子注入离子注入；材料材料一般选用一般选用P P型高阻硅型高阻硅，电阻率为电阻率为10001000；在电
18、极在电极引出时一定要保证为引出时一定要保证为欧姆接触，欧姆接触，以防止形成另以防止形成另外的结。外的结。2)2)金硅面垒金硅面垒(Surface Barrier)探测器探测器一般用一般用N N型高阻硅型高阻硅，表面蒸金表面蒸金50100 g/cm2 氧化氧化形成形成P P型硅型硅，而形成，而形成P-N结。工艺成熟、简单、价结。工艺成熟、简单、价廉。廉。第20页，共48页，编辑于2022年，星期五3、半导体探测器的输出信号半导体探测器的输出信号1)1)输出回路输出回路 须考虑须考虑结电阻结电阻Rd和和结电容结电容Cd，结区外结区外半导体材半导体材料的料的电阻电阻和和电容电容RS，CS。测测量量仪
19、仪器器第21页，共48页，编辑于2022年，星期五第22页，共48页，编辑于2022年，星期五2)2)输出信号输出信号 当当 R0(Cd+Ca)tc(tc为载流子收集时间为载流子收集时间)时，时，为为电压脉冲型工作状态电压脉冲型工作状态：辐射在灵敏体积内产生辐射在灵敏体积内产生的电子空穴对数的电子空穴对数脉冲后沿以时间常数脉冲后沿以时间常数R0(Cd+Ca)指数规律下降。指数规律下降。脉冲前沿从粒子入射至全部载流子被收集脉冲前沿从粒子入射至全部载流子被收集(tc)。第23页，共48页，编辑于2022年，星期五但是，由于但是，由于输出电压脉冲幅度输出电压脉冲幅度h与与结电容结电容Cd有关，有关，
20、而而结电容结电容 随随偏压偏压而变化，因此当所加偏而变化，因此当所加偏压不稳定时，将会使压不稳定时，将会使 h 发生附加的涨落，发生附加的涨落，不利于不利于能谱的测量；为解决该矛盾，能谱的测量；为解决该矛盾，PN结半导体探测器结半导体探测器通常通常不用不用电压型电压型或或电流型电流型前置放大器，而是采用前置放大器，而是采用电荷灵敏前置放大器电荷灵敏前置放大器。电荷灵敏放大器的输入电。电荷灵敏放大器的输入电容极大，可以保证容极大，可以保证 C入入 Cd，而，而 C入入是十分稳定是十分稳定的，从而大大减小了的，从而大大减小了Cd变化的影响。若反馈电容变化的影响。若反馈电容和反馈电阻为和反馈电阻为C
21、f和和Rf，则输出脉冲幅度为：，则输出脉冲幅度为：输出回路的输出回路的时间常数时间常数为：为：第24页，共48页，编辑于2022年，星期五3)3)载流子收集时间载流子收集时间 由于在边界，电场强度趋于由于在边界，电场强度趋于0，定义载流子，定义载流子扫过扫过 x0.99W 的距离的时间为载流子收集时的距离的时间为载流子收集时间：间：可以获得快的上升时间。可以获得快的上升时间。第25页，共48页，编辑于2022年，星期五4 4、主要性能、主要性能 主要用于测量主要用于测量重带电粒子重带电粒子的的能谱能谱，如，如,p等，一般等，一般要求要求耗尽层厚度耗尽层厚度大于大于入射粒子的射程入射粒子的射程。
22、1)1)能量分辨率能量分辨率影响能量分辨率的因素影响能量分辨率的因素为：为：(1)输出输出脉冲幅度的统计涨落脉冲幅度的统计涨落 式式中中：F为为法法诺诺因因子子，对对Si，F=0.143；对对Ge，F=0.129。w为为产产生生一一个个电电子子空空穴穴对对所所需需要要的的平平均能量。均能量。第26页，共48页，编辑于2022年，星期五能量分辨率可用能量分辨率可用FWHM表示：表示：FWHM 或或 E 称为称为半高宽半高宽或或线宽线宽，单位为：，单位为：KeV。以以210Po的的 E5.304MeV 的的 粒子为例，粒子为例，对对一种一种PN结探测器，由于输出脉冲幅度的结探测器，由于输出脉冲幅度
23、的统统计涨落计涨落引起的线宽为：引起的线宽为：第27页，共48页，编辑于2022年，星期五(2)探测器和电子学噪声探测器和电子学噪声 探测器的噪声探测器的噪声由由P-N结反向电流结反向电流及及表面漏电流表面漏电流的的涨落涨落造成；造成；电子学噪声电子学噪声主要由第一级主要由第一级FET构成，构成，包括：包括：零电容噪声零电容噪声和和噪声斜率噪声斜率。噪声的表示方法噪声的表示方法：等效噪声电荷等效噪声电荷ENC，即放大器，即放大器输出噪声电压的均方根值等效于放大器输入端的输出噪声电压的均方根值等效于放大器输入端的噪声电荷，以噪声电荷，以电子电荷电子电荷为单位；由于噪声为单位；由于噪声叠加叠加在射
24、在射线产生的信号上，使线产生的信号上，使谱线进一步谱线进一步加宽加宽，参照产生信号，参照产生信号的射线的能量，用的射线的能量，用FWHM表示，其单位就是表示，其单位就是KeV。例如，例如，ENC200电子对，由噪声引起的线宽为：电子对，由噪声引起的线宽为：第28页，共48页，编辑于2022年，星期五(3)窗厚度的影响窗厚度的影响式中式中 为为单位窗厚度引起的能量损失单位窗厚度引起的能量损失。得到得到总线宽总线宽为：为：例如：例如：则：则：第29页，共48页，编辑于2022年，星期五2）分辨时间分辨时间与与时间分辨本领时间分辨本领：3）能量线性很好，能量线性很好，与入射与入射粒子类型粒子类型和和
25、能量基能量基本无关本无关4）辐照寿命辐照寿命 辐照寿命是半导体探测器的一个致命辐照寿命是半导体探测器的一个致命的的弱点弱点。半导体探测器随着使用时间的增加，。半导体探测器随着使用时间的增加，造成造成载流子寿命变短载流子寿命变短，影响载流子的收集。，影响载流子的收集。例如，对例如，对5.5MeV的的 粒子，当达到粒子，当达到109cm-2时，分辨率开始变坏，达到时，分辨率开始变坏，达到1011cm-2时明时明显变坏。显变坏。第30页，共48页，编辑于2022年，星期五5、应用、应用1）重带电粒子能谱测量重带电粒子能谱测量2）dE/dx 探测器探测器 dE/dx探测器工作于探测器工作于全耗尽型全耗
26、尽型或或过耗尽型过耗尽型状态，状态，可用于可用于粒子鉴别粒子鉴别。dE/dx探测器探测器的输出信号为的输出信号为X，能量探测器能量探测器的输出信号为的输出信号为Y，其乘积其乘积 XYmZ2 而得到粒子谱。而得到粒子谱。第31页，共48页，编辑于2022年，星期五 由于一般半导体材料的杂质浓度和外加由于一般半导体材料的杂质浓度和外加高压的限制，高压的限制，耗尽层厚度耗尽层厚度为为12mm。对强对强穿透能力的辐射而言，穿透能力的辐射而言，探测效率探测效率受很大的局受很大的局限。限。P-N结半导体探测器存在的矛盾结半导体探测器存在的矛盾：第32页，共48页，编辑于2022年，星期五10.3 锂漂移半
27、导体探测器锂漂移半导体探测器1.1.1.1.锂的漂移特性及锂的漂移特性及锂的漂移特性及锂的漂移特性及P-I-NP-I-N结结结结1)间隙型杂质间隙型杂质LiLi为施主杂质，电离能很小为施主杂质，电离能很小 0.033eVLi漂移速度漂移速度当温度当温度T 增大时，增大时，(T)增大，增大，Li+漂移速漂移速度增大。度增大。第33页，共48页，编辑于2022年，星期五2)P-I-N结的形成结的形成 基体用基体用P型半导体型半导体(因为极高纯度的材料多是因为极高纯度的材料多是P型的型的)，例如掺硼的，例如掺硼的Si或或Ge单晶。单晶。(1)一端表面蒸一端表面蒸Li，Li离子化为离子化为Li+,形成
28、形成PN结。结。(2)另一端表面蒸金属，引出电极。另一端表面蒸金属，引出电极。外加电场，使外加电场，使Li+漂移。漂移。Li+与受主杂质与受主杂质(如如Ga-)中和，并可实现中和，并可实现自动补自动补偿偿形成形成 I I 区区区区。(3)形成形成P-I-NP-I-N结，未漂移补偿区仍为结，未漂移补偿区仍为P，引出电极。，引出电极。PN+Intrinsic SemiFront metallizationOhmic back contactTo positive bias voltage 由硅作为基体的探测器称为由硅作为基体的探测器称为Si(Li)探测器探测器，由锗作为基体的探测器称为，由锗作为基
29、体的探测器称为Ge(Li)探测器探测器。锂离子是用于漂移成探测器的唯一的离子。锂离子是用于漂移成探测器的唯一的离子。第34页，共48页，编辑于2022年，星期五2.2.2.2.锂漂移探测器的工作原理锂漂移探测器的工作原理锂漂移探测器的工作原理锂漂移探测器的工作原理1)空间电荷分布、电场分布及电位分布空间电荷分布、电场分布及电位分布I区区为为完全补偿区完全补偿区，呈电中性为均匀电场；，呈电中性为均匀电场；I区区为为耗尽层耗尽层，电阻率可达，电阻率可达1010 cm；I区区厚度可达厚度可达1020mm，为，为灵敏体积灵敏体积。杂质浓度杂质浓度电荷分布电荷分布电位电位电场电场第35页，共48页，编辑
30、于2022年，星期五2)工作条件工作条件 为了为了降低降低探测器本身的探测器本身的噪声噪声和和FET的的噪声噪声，同时为降低探，同时为降低探测器的表面漏电流，锂漂移探测器和场效应管测器的表面漏电流，锂漂移探测器和场效应管FET都置于都置于真空低温真空低温真空低温真空低温的容器内，的容器内，工作于液氮温度工作于液氮温度(77K)。对对Ge(Li)探探测测器器，由由于于锂锂在在锗锗中中的的迁迁移移率率较较高高，须须须须保保保保持持持持在在在在低低低低温温温温下下下下，以以防防止止Li+Ga-离离子子对对 离离解解，使使Li+沉沉积积而而破破坏坏原原来来的的补补偿偿；对对Si(Li)探探测测器器，由
31、由于于锂锂在在硅硅中中的的迁迁移移率率较较低低，在在常常温温下保存下保存而无永久性的损伤。而无永久性的损伤。3)由于由于PIN探测器探测器能量分辨率的大大提高能量分辨率的大大提高，开创，开创了了 谱学的新阶段。谱学的新阶段。Li漂移探测器的问题：漂移探测器的问题：低温下保存代价很高低温下保存代价很高；漂移的漂移的生产周期很长生产周期很长，约，约3060天。天。第36页，共48页，编辑于2022年，星期五10.4 高纯锗高纯锗(HPGe)半导体探测器半导体探测器由耗尽层厚度的公式：由耗尽层厚度的公式：降低降低杂质的浓度杂质的浓度Ni可提高耗尽层的厚度。可提高耗尽层的厚度。高纯锗半导体探测器是由极
32、高纯度的高纯锗半导体探测器是由极高纯度的Ge单晶制成单晶制成的的 P-N结结 半导体探测器。杂质浓度为半导体探测器。杂质浓度为1010原子原子/cm3。一般半导体材料杂质浓度为一般半导体材料杂质浓度为1015原子原子/cm3。第37页，共48页，编辑于2022年，星期五1.1.1.1.高纯锗探测器的工作原理高纯锗探测器的工作原理高纯锗探测器的工作原理高纯锗探测器的工作原理1)P-N结的构成结的构成 采采用用高高纯纯度度的的 P型型Ge单单晶晶，一一端端表表面面通通过过蒸蒸发发扩扩散散或或加加速速器器离离子子注注入入施施主主杂杂质质(如如磷磷或或锂锂)形形成成 N区区 和和 N+，并并形形成成P
33、-N结结。另另一一端端蒸蒸金金属属形形成成 P+，并并作作为为入入射射窗窗。两两端引出电极。端引出电极。因为因为杂质浓度极低杂质浓度极低，相应的，相应的电阻率很高电阻率很高。空间电荷密度很小空间电荷密度很小，P区的区的耗尽层厚度大耗尽层厚度大。第38页，共48页，编辑于2022年，星期五2)空间电荷分布、电场分布及电位分布空间电荷分布、电场分布及电位分布电荷分布电荷分布电位电位电场电场第39页，共48页，编辑于2022年，星期五2.2.2.2.高纯锗探测器的特点高纯锗探测器的特点高纯锗探测器的特点高纯锗探测器的特点1)P区区存在空间电荷，存在空间电荷，HPGe半导体探测器是半导体探测器是PN结
34、结型探测器。型探测器。2)P区区为为非均匀电场非均匀电场。3)P区区为为灵敏体积灵敏体积，其厚度与外加电压有，其厚度与外加电压有关，一般工作于关，一般工作于全耗尽状态全耗尽状态。4)HPGe半导体探测器可在半导体探测器可在常温下保存常温下保存，低低温下工作温下工作。第40页，共48页，编辑于2022年，星期五10.5 锂漂移和锂漂移和HPGe半导体探测器的性能与应用半导体探测器的性能与应用1.1.1.1.结构结构结构结构平面型平面型：体积较小，厚度一般小于：体积较小，厚度一般小于2.0cm，常用于低能，常用于低能 或或X射线的探测。射线的探测。同轴型同轴型：体积较大，用于：体积较大，用于 射线
35、的探测。射线的探测。对两种不同的结构形式，由于空间电荷的作用，灵敏体积对两种不同的结构形式，由于空间电荷的作用，灵敏体积内的内的电场分布电场分布是不同的。是不同的。2.2.2.2.输出信号输出信号输出信号输出信号 与电离室相似，载流子漂移速度快，载流子收集时间就短，与电离室相似，载流子漂移速度快，载流子收集时间就短，可以获得快上升时间的输出电压脉冲。其可以获得快上升时间的输出电压脉冲。其上升时间与入射粒上升时间与入射粒子的位置有关子的位置有关，是，是变前沿变前沿变前沿变前沿的输出电压脉冲。的输出电压脉冲。对平面型和同轴型的本征电流在电容上积分得到的输出信号的对平面型和同轴型的本征电流在电容上积
36、分得到的输出信号的形状可以定量描述。形状可以定量描述。第41页，共48页，编辑于2022年，星期五对对平面型探测器平面型探测器:对对同轴型探测器同轴型探测器:第42页，共48页，编辑于2022年，星期五3.3.3.3.性能性能性能性能其中：其中：Si(Li)和和Ge(Li)平面型探测器平面型探测器用于用于低能低能(X)射线射线的的探测，其能量分辨率常以探测，其能量分辨率常以55Fe的衰变产物的衰变产物55Mn的的KX能量能量5.95KeV为标准，一般指标约：为标准，一般指标约：1)能量分辨率能量分辨率：为为载流子数的涨落载流子数的涨落。为为漏电流和噪声漏电流和噪声；为为载流子由于陷阱效应带来的
37、涨落载流子由于陷阱效应带来的涨落，通过适当通过适当提高偏置电压减小提高偏置电压减小。HPGe，Ge(Li)同轴型探测器同轴型探测器用于用于 射线探测射线探测，常，常以以60Co能量为能量为1.332MeV的的 射线为标准，一般指标射线为标准，一般指标约：约：第43页，共48页，编辑于2022年，星期五2)探测效率探测效率一般以一般以 3英寸英寸3英寸英寸的的NaI(Tl)晶体为晶体为100，用，用相相对效率对效率来表示。来表示。以以85cm3的的HPGe为例，探测效率为为例，探测效率为19。3)峰康比峰康比P=全能峰峰值全能峰峰值/康普顿平台的峰值康普顿平台的峰值与与FWHM以及体积有关，可达
38、以及体积有关，可达6008004)能量线性能量线性：非常好非常好5)时间特性时间特性：电流脉冲宽度电流脉冲宽度可达可达10-910-8s.第44页，共48页，编辑于2022年，星期五1)HPGe和和Ge(Li)用于组成用于组成 谱仪谱仪：锗具有较高：锗具有较高的密度和较高的原子序数的密度和较高的原子序数(Z=32)探头探头(晶体前置放大器低温装置晶体前置放大器低温装置)；4.4.4.4.应用应用应用应用谱放大器谱放大器(稳定性，抗过载，极零调节，基线恢稳定性，抗过载，极零调节，基线恢复等复等);谱仪的组成谱仪的组成：多道脉冲幅度分析器多道脉冲幅度分析器(一般大于一般大于4000道，现在一般道，
39、现在一般都带有数字稳谱功能都带有数字稳谱功能)；计算机计算机(谱解析软件及定量分析软件谱解析软件及定量分析软件)。谱仪的应用谱仪的应用：活化分析；：活化分析；X射线荧光分析；核射线荧光分析；核物理研究等。物理研究等。第45页，共48页，编辑于2022年，星期五2)Si(Li)探测器探测器 由于由于Si的的Z14，对一般能量的，对一般能量的 射线，其射线，其光电截面仅为光电截面仅为锗锗的的1/50，因此，其主要应用，因此，其主要应用为：为：低能量的低能量的 射线和射线和X射线测量射线测量，在可得到较在可得到较高的光电截面的同时，高的光电截面的同时，Si的的X射线逃逸将明显射线逃逸将明显低于锗的低
40、于锗的X射线逃逸射线逃逸；粒子或其他外部入射的电子的探测粒子或其他外部入射的电子的探测，由，由于其原子序数较低，可于其原子序数较低，可减少反散射减少反散射。第46页，共48页，编辑于2022年，星期五10.6 其他半导体探测器其他半导体探测器1.1.1.1.化合物半导体探测器化合物半导体探测器化合物半导体探测器化合物半导体探测器这些材料的探测器均可在常温下使用。这些材料的探测器均可在常温下使用。大小CdTe501.47eV 4.43eV 650eVHgI2622.136.50500GaAs321.434.20第47页，共48页，编辑于2022年，星期五2.2.2.2.雪崩型半导体探测器雪崩型半导体探测器雪崩型半导体探测器雪崩型半导体探测器内放大及结构特点，内放大及结构特点，E2104V/cm，改善信噪比。，改善信噪比。用于生物、医学领域，体内测量软用于生物、医学领域，体内测量软X射线。射线。3.3.3.3.位置灵敏半导体探测器位置灵敏半导体探测器位置灵敏半导体探测器位置灵敏半导体探测器硅微条位置灵敏探测器硅微条位置灵敏探测器(SMD)，条距为，条距为20 m，工作于，工作于全耗尽状态。位置分辨率可达全耗尽状态。位置分辨率可达23 m。第48页，共48页，编辑于2022年，星期五