《清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程半导体探测器解析.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程半导体探测器解析.pptx（89页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、1/89why semiconductor detector?气体：气体：气体：气体：分辨率较好分辨率较好分辨率较好分辨率较好 探测效率太低探测效率太低探测效率太低探测效率太低闪烁体：探测效率很好探测效率很好 分辨率不好分辨率不好 载流子的形成环节太多，不断损失载流子的形成环节太多，不断损失产生载流子载流子需要的能量半导体：分辨率很好：分辨率很好：0.1%1.33MeV0.1%1.33MeV探测效率较高：比拟探测效率较高：比拟NaINaIw30eVw30eVF:0.20.5w300eVw300eVF:1w3eVw3eVF:0.1第1页/共89页2/89半导体探测器（半导体探测器（半导体探测器（
2、半导体探测器（60606060年代初期发展起来）的特点：年代初期发展起来）的特点：年代初期发展起来）的特点：年代初期发展起来）的特点：目前常见的半导体探测器材料有两种：目前常见的半导体探测器材料有两种：Si：s纯度不高，难以做成大的探纯度不高，难以做成大的探测器（载流子寿命）测器（载流子寿命）适合带电粒子测量（短射程）适合带电粒子测量（短射程）Ge：纯度很高（高纯锗），可以纯度很高（高纯锗），可以做成较大的探测器做成较大的探测器适合适合能谱测量能谱测量能量分辨率高探测效率高，可与闪烁体相比拟紧凑较快的时间响应尺寸较小，难以做大易受射线损伤本章讨论的核心，仍然是关于载流子（电子空穴对）载流子（电
3、子空穴对）的问题：产生（统计性）运动损失形成信号干扰探测器性能第2页/共89页3/89关于能带（知识介绍）晶体内电子的公有化晶体内电子的公有化晶体内电子的公有化晶体内电子的公有化 晶体内的外层电子不再从属于某个特定的原子，而是从晶体内的外层电子不再从属于某个特定的原子，而是从属于整个晶体，可以在晶体内任何原子核附近出现。属于整个晶体，可以在晶体内任何原子核附近出现。E单个原子的能级晶体中：晶体中：原子紧密、规则地排列原子紧密、规则地排列相邻原子间的作用显著相邻原子间的作用显著起来起来电子不仅受自身原子核电子不仅受自身原子核的库仑作用，也受周围的库仑作用，也受周围其它原子核的作用其它原子核的作用
4、外层电子外层电子“公有化公有化”E晶体中的能带N个电子N个能级能级间隔：10-22eV构成晶体的总原子数：N第3页/共89页4/89满带（价带）、禁带、空带（导带）第4页/共89页5/89第六章 半导体探测器6.1 6.1 半导体基本性质半导体基本性质半导体基本性质半导体基本性质6.2 均匀型半导体探测器均匀型半导体探测器6.3 P-N结型半导体探测器结型半导体探测器6.4 P-I-N型半导体探测器型半导体探测器6.5 高纯锗高纯锗HPGe半导体探测器半导体探测器6.6 锂漂移和锂漂移和HPGe半导体探测器的性半导体探测器的性能与应用能与应用6.7 其它半导体探测器其它半导体探测器 第5页/共
5、89页6/896.1 半导体基本性质1 1本征半导体与杂质半导体本征半导体与杂质半导体本征半导体与杂质半导体本征半导体与杂质半导体2 2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常用半导体材料：Si Si、Ge(IVGe(IV族元素)第6页/共89页7/89一本征半导体与杂质半导体1.1.1.1.本征半导体本征半导体(intrinsic semiconductor)(intrinsic semiconductor)(intrinsic semiconductor)(intrinsic semiconductor)理想的、纯净
6、的半导体。理想的、纯净的半导体。理想的、纯净的半导体。理想的、纯净的半导体。半导体中的电子和空穴半导体中的电子和空穴密度严格相同，由密度严格相同，由热运热运动动产生：产生：禁带宽度：禁带宽度：禁带宽度：禁带宽度：本征硅：本征硅：本征锗：本征锗：半导体中的载流子密度小，且随温度变化。半导体中的载流子密度小，且随温度变化。半导体中的载流子密度小，且随温度变化。半导体中的载流子密度小，且随温度变化。价带填满了电子，导带上没有电子价带填满了电子，导带上没有电子价带填满了电子，导带上没有电子价带填满了电子，导带上没有电子金属中的电金属中的电金属中的电金属中的电子密度：子密度：子密度：子密度：101022
7、22/cm/cm3 3室温下的室温下的室温下的室温下的电子与空电子与空电子与空电子与空穴密度：穴密度：穴密度：穴密度：第7页/共89页8/892.2.2.2.杂质半导体杂质半导体在半导体材料中有选择地掺入一些杂质在半导体材料中有选择地掺入一些杂质(ppm或更小或更小)。杂质原子在半导体禁带中产生局部能级，影响半导体的性质。杂质原子在半导体禁带中产生局部能级，影响半导体的性质。第8页/共89页9/893.3.3.3.施主杂质和施主能级施主杂质和施主能级V族元素，如族元素，如P、As、Sb。能级接近导带底端能量；能级接近导带底端能量；室温下热运动使杂质原子离化；室温下热运动使杂质原子离化；离化产生
8、的电子进入导带，但价离化产生的电子进入导带，但价带中并不产生空穴。带中并不产生空穴。掺有施主杂质的半导体中多数载掺有施主杂质的半导体中多数载流子是电子，叫做流子是电子，叫做N N型半导体型半导体。多数载流子多数载流子(majority carriers)少数载流子少数载流子(minority carriers)例：室温下，本征硅的载流子密度为：1010cm-3施主掺杂1017atoms/cm3(2ppm)，电子密度：1017/cm3空穴密度：103/cm3第9页/共89页10/894.4.4.4.受主杂质和受主能级受主杂质和受主能级III族元素，如族元素，如B、Al、Ga。能级接近价带顶端能量
9、；能级接近价带顶端能量；室温下价带中电子容易跃迁这室温下价带中电子容易跃迁这些能级上；些能级上；在价带中出现空穴。在价带中出现空穴。导带上不产生电子。导带上不产生电子。掺有受主杂质的半导体中多数载流掺有受主杂质的半导体中多数载流子是空穴，叫做子是空穴，叫做P P P P型半导体型半导体。第10页/共89页11/89二半导体作为探测介质的物理性能1.1.1.1.载流子密度载流子密度半导体中电子和空穴的密度乘积为，半导体中电子和空穴的密度乘积为，本征半导体的载流子密度本征半导体的载流子密度ni、pi和杂质半导体的载流子密度和杂质半导体的载流子密度n、p满足：满足：EF：费米能级没有射线，是否会有载
10、流子没有射线，是否会有载流子（电子空穴对）？（电子空穴对）？电子与空穴的数目是否相等？电子与空穴的数目是否相等？与半导体的特性有关第11页/共89页12/893.3.3.3.平均电离能平均电离能入射粒子在半导体介质中平均产生入射粒子在半导体介质中平均产生一对一对电子空穴电子空穴需要的能量。需要的能量。300300 K K，ww(Si)=3.62eV(Si)=3.62eV7777 K K，ww(Si)=3.76eV(Si)=3.76eV，ww(Ge)=2.96eV(Ge)=2.96eV如果在N N型半导体中加入受主杂质，当p n，N型半导体转化为P型半导体。叫做补偿效应补偿效应。当p=n，完全补
11、偿。2.2.2.2.补偿效应补偿效应例如：例如：N型半导体，施主杂质几乎全部电离，型半导体，施主杂质几乎全部电离，n p。电子与空穴的数目关系是否可以改变？电子与空穴的数目关系是否可以改变？我们关心的是射线产生的载流子，数目是多少？我们关心的是射线产生的载流子，数目是多少？第12页/共89页13/89半导体平均电离能的特点：1.近似与入射粒子种类粒子种类和能量无关能量无关，根据电子空穴对可以推得入射粒子的能量请回顾一下气请回顾一下气体和闪烁体的体和闪烁体的情况？情况？2.入射粒子电离产生的电子电子和空穴空穴的数目是数目是相同相同的。无论是与本征半导体反应，还是与n型、p型半导体反应。掺杂量小，
12、不足以掺杂量小，不足以改变射线与物质相改变射线与物质相互作用的特点。互作用的特点。3.半导体的平均电离能很小平均电离能很小3eV，气体平均电离能(30eV)严格地讲，平均电离能与入射粒子也有一定的关系：质子与严格地讲，平均电离能与入射粒子也有一定的关系：质子与粒子粒子相差相差2.2%。平均电离能与温度也有关系，对于平均电离能与温度也有关系，对于Si，液氮温度时比室温时大，液氮温度时比室温时大3%。与射线的能量也有一定的关系，特别是低能与射线的能量也有一定的关系，特别是低能X射线部分。能量降低，射线部分。能量降低，平均电离能增大。平均电离能增大。第13页/共89页14/89关于FANO因子射线在
13、半导体中产生的电子空穴对是服从FANO分布的。FANO因子目前尚难以进行准确地理论估计，通常由实验因子目前尚难以进行准确地理论估计，通常由实验得到得到充分考虑其它因素对全能峰的展宽充分考虑其它因素对全能峰的展宽电子学噪声、漂移等。电子学噪声、漂移等。剩下的展宽则由统计涨落引起剩下的展宽则由统计涨落引起估计估计FANO分布。分布。由实验结果来看：由实验结果来看：FANO因子的测量结果相差甚大，尤其是对因子的测量结果相差甚大，尤其是对Si。或许也和粒子沉积能量的特点有关。或许也和粒子沉积能量的特点有关。一些实验结果：一些实验结果：Si：0.0850.16，Ge：0.0570.129第14页/共89
14、页15/89当当E 10E 10E 10E 104 4 4 4 5 5 5 5V/cmV/cmV/cmV/cm时：时：达到饱和漂移速度达到饱和漂移速度101010107 7 7 7cm/s.cm/s.cm/s.cm/s.4.4.4.4.载流子的迁移率载流子的迁移率迁移率随温度下降而迁移率随温度下降而上升，近似上升，近似T T T T-2/3-2/3-2/3-2/3300300 K K，(Ge)(Ge)空穴迁移率比电子迁移率空穴迁移率比电子迁移率小，但不过小，但不过相差相差2 2 2 23 3 3 3倍倍，当电场强度不高（当电场强度不高（E 10E 10E 10E 107cm第25页/共89页2
15、6/89解决办法：2.室温半导体1.补偿法，提高材料的电阻率利用补偿法制备具有本征电阻率的硅晶体，在100K的低温下工作，则电阻率可以满足要求。在N型硅中掺杂3倍于施主数目的金。载流子寿命变短。选择禁带宽度大的材料，在室温下本征电阻率也足够高，例如化合物半导体材料：GaAs，CdTe，CZT(CdZnTe)，HgI2，CVD(Chemical Vapor Deposition)金刚石探测器第26页/共89页27/896.1 半导体基本性质半导体基本性质6.2 均匀型半导体探测器均匀型半导体探测器6.3 P-N6.3 P-N结型半导体探测器结型半导体探测器结型半导体探测器结型半导体探测器6.4
16、P-I-N型半导体探测器型半导体探测器6.5 高纯锗高纯锗HPGe半导体探测器半导体探测器6.6 锂漂移和锂漂移和HPGe半导体探测器的性半导体探测器的性能与应用能与应用6.7 其它半导体探测器其它半导体探测器 第27页/共89页28/896.3 P-N6.3 P-N结型半导体探测器1 1工作原理工作原理工作原理工作原理2 2P-NP-N结型半导体探测器的类型结型半导体探测器的类型结型半导体探测器的类型结型半导体探测器的类型3 3输出信号输出信号输出信号输出信号4 4P-NP-N结型半导体探测器的性能与应用结型半导体探测器的性能与应用结型半导体探测器的性能与应用结型半导体探测器的性能与应用第2
17、8页/共89页29/89一工作原理1.P-N1.P-N1.P-N1.P-N结结(势垒区势垒区)的形成的形成在在P P型半导体上掺杂，通过补偿型半导体上掺杂，通过补偿效应，转化为效应，转化为N N型半导体，型半导体，形成形成形成形成P-NP-NP-NP-N结结结结。由于密度的差异，电子和空穴朝由于密度的差异，电子和空穴朝着密度小的方向着密度小的方向扩散扩散扩散扩散。扩散的结果形成空间电荷区，建立起扩散的结果形成空间电荷区，建立起自建电场自建电场自建电场自建电场。在自建电场的作用下，在自建电场的作用下，扩散与漂移达到平衡。形成扩散与漂移达到平衡。形成P-NP-N结区，结区，也叫也叫势垒区势垒区势垒
18、区势垒区、耗尽区耗尽区耗尽区耗尽区。电场是均匀的吗？电场是均匀的吗？耗尽了什么？耗尽了什么？第29页/共89页30/89少数能量较高的多数载流子（电子多数载流子（电子oror空穴）空穴）会穿过势垒区扩散到对方区域，形成正向电流（密度）正向电流（密度）I If f 。由于热运动热运动在势垒区产生电子空电子空穴穴，在自建电场作用下形成反向反向电流（密度）电流（密度）I IGG，扩散到势垒区的少数载流子少数载流子在电场作用下也会形成反向电流反向电流 I IS S。达到平衡时，平衡前平衡前导带导带价带EFEF价带P P型型N N型型N N型型P P型型平衡后平衡后EF导带价带导带价带EFg:单位体积e
19、-h对的产生速度，w:结区的厚度第30页/共89页31/892.2.外加电场下的外加电场下的P-NP-N结结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反向电流反向电流：少数载流子的少数载流子的扩散电流扩散电流，结区面积不变，结区面积不变，IS 不变；不变；结区体积加大，结区体积加大，热运动产生热运动产生电子空穴多，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自建电场方向一致。外加电场使结区宽度增大。反向电压越高，结区越宽。第31页/
20、共89页32/893.3.势垒区的电场分布势垒区的电场分布 势垒区中的电场：空间电荷密度为，由于空间电荷数相等：E E(x x)第32页/共89页33/894.4.势垒区的宽度势垒区的宽度可以得到势垒高度：所以，势垒区的宽度：对电场积分，可以得到势垒分布：E(x)第33页/共89页34/895.5.结区电容结区电容根据结区电荷随外加电压的变化率，可以计算得到单位面积的结区电容：s结区电容随外加电压变化而变化s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s需要想办法解决，怎么解决？m mpF/cm2pF/cm2第34页/共89页35/89Si例如：问：反向工作电压？问：反向工作电压？结区厚
21、度？结区电容？W W=200=200 mmC C=51pF=51pFV V=45V=45V第35页/共89页36/896.P-N6.P-N结的击穿电压结的击穿电压反向电压过大，可能造成反向电压过大，可能造成P-N结的击穿。结的击穿。结区内场强不均匀，交界处场强最大，容易发生击穿。结区内场强不均匀，交界处场强最大，容易发生击穿。场强增大，载流子在势垒区获得的能量足以使其它电子由价场强增大，载流子在势垒区获得的能量足以使其它电子由价带进入导带，带进入导带，“雪崩击穿雪崩击穿”。反向电流急剧增大。可能造成破坏性的后果。反向电流急剧增大。可能造成破坏性的后果。电阻率越高，则耗尽层越厚，电场越弱，不易击
22、穿。电阻率越高，则耗尽层越厚，电场越弱，不易击穿。加保护电阻，限制电流，可防止探测器的击穿损坏。加保护电阻，限制电流，可防止探测器的击穿损坏。第36页/共89页37/89二P-N结型半导体探测器的类型1.扩散结型探测器用高电阻率、长载流子寿命的用高电阻率、长载流子寿命的P型硅来制造。型硅来制造。把施主杂质把施主杂质(如磷如磷)扩散到扩散到P型型Si材料中，形成材料中，形成P-N结。结。施主杂质浓度大，结区几乎全部在施主杂质浓度大，结区几乎全部在P型区内。型区内。N型区型区很薄：很薄：0.12.0 m。sN型区之外的表面层构成了死层型区之外的表面层构成了死层(dead layer)，入射，入射窗
23、。在粒子谱仪中，入射窗的存在是不受欢迎的。窗。在粒子谱仪中，入射窗的存在是不受欢迎的。s高温使载流子寿命减小。高温使载流子寿命减小。扩散结型探测器目前已经逐渐被其它探测器所取代，但由于更为“皮实”，不易受外部因素（如油气）的影响，仍然在使用。第37页/共89页38/892.面垒型探测器主要用主要用N型硅（也可为型硅（也可为P型硅）来制作（机制还不是很型硅）来制作（机制还不是很清楚）。清楚）。在在N型型Si上蒸薄上蒸薄Au，透过，透过Au层的氧化作用，形成层的氧化作用，形成P型氧型氧化层。叫做金硅面垒探测器，化层。叫做金硅面垒探测器，Si(Au)。入射窗薄，死区小。入射窗薄，死区小。s对可见光敏
24、感，会导致很大的噪声。对可见光敏感，会导致很大的噪声。不过在粒子能谱测量过程中所需要的真空条件一般不过在粒子能谱测量过程中所需要的真空条件一般会同时解决避光问题。会同时解决避光问题。s面垒探测器的入射窗很薄，不能触碰，对环境中的蒸汽面垒探测器的入射窗很薄，不能触碰，对环境中的蒸汽污染敏感（真空泵中的油）。污染敏感（真空泵中的油）。第38页/共89页39/893.离子注入（Ion Implanted Layers）另外一种在半导体表面掺杂的方法：另外一种在半导体表面掺杂的方法：将将P或或B粒子通过加速（粒子通过加速（10kV），注入到），注入到半导体的表面。半导体的表面。加速电压确定加速电压确定
25、掺杂深度确定，易于控制掺杂深度确定，易于控制与扩散结型相比：在注入后，需要退火以消除与扩散结型相比：在注入后，需要退火以消除射线损伤，射线损伤，tc时，探测器输出电压脉冲幅度为，这时，输出电压脉冲前沿由电流脉冲形状决定，后沿以输出回路时间常数RC指数规律下降。输出回路等效电容，而探测器结区电容Cd随反向工作电压变化，反向工作偏压的反向工作偏压的变化会导致输出变化会导致输出信号幅度的变化，信号幅度的变化，怎么办？怎么办？第43页/共89页44/89采用采用电荷灵敏电荷灵敏前置放大器前置放大器这时前置放大器的输出脉冲幅度为，电荷灵敏前置放大器等效输入电阻：探测器输出回路等效电容：第44页/共89页
26、45/89等效输出回路RC：输出回路等效电阻：电荷灵敏前置放大器输出脉冲后沿按照Rf Cf指数下降:第45页/共89页46/89输出电压脉冲上升前输出电压脉冲上升前沿随电子空穴产生位沿随电子空穴产生位置变化。置变化。会引起定时误差。会引起定时误差。输出脉冲的形状：第46页/共89页47/89四P-N结型半导体探测器的性能与应用1.1.能量分辨率能量分辨率(1)统计涨落的影响 探测器的能量分辨率为，入射粒子产生的电子空穴对数服从法诺分布，第47页/共89页48/89(2)探测器和电子学的噪声探测器的噪声信号P-N结的反向电流：结的反向电流：少数载流子的扩散电流少数载流子的扩散电流IS；结区中热运
27、动产生电子空穴的反向电流结区中热运动产生电子空穴的反向电流IG；反向电压产生漏电流反向电压产生漏电流 IL，主要是表面漏电流。，主要是表面漏电流。电子学噪声主要是前置放大器中第一级的噪声。电子学噪声主要是前置放大器中第一级的噪声。等效噪声电荷等效噪声电荷ENCENC：放大器输出端噪声电压均方根：放大器输出端噪声电压均方根值等效到输入端的电荷数。值等效到输入端的电荷数。比较：比较：电子学噪声第48页/共89页49/89电荷灵敏前置放大器的噪声参数：电荷灵敏前置放大器的噪声参数：零电容噪声零电容噪声(keV)；噪声斜率噪声斜率(keV/pF)。例如：一电荷灵敏前置放大器，零电容噪声例如：一电荷灵敏
28、前置放大器，零电容噪声1keV，噪声斜率，噪声斜率0.03keV/pF。若探测器电容。若探测器电容100pF，则总的噪声对谱线的展宽为：，则总的噪声对谱线的展宽为：注意注意：电荷灵敏前置放大器的噪声与探测器的电容大小有关！二者是相加关系，二者是相加关系，非平方和！非平方和！偏压探测器结电容反向电流偏压有最优值第49页/共89页50/89(3)窗厚对能量分辨率的影响不同角度入射的带电粒子穿过探测器的窗不同角度入射的带电粒子穿过探测器的窗厚度不同，在窗中损失的能量不同，造成厚度不同，在窗中损失的能量不同，造成能谱展宽，能谱展宽，各种因素对系统能量分辨率的影响，(4)电子空穴“陷入”的影响载流子少载
29、流子少电子空穴的复合并不严重电子空穴的复合并不严重陷入必须考虑，会影响信号的幅度，并形成小信号。陷入必须考虑，会影响信号的幅度，并形成小信号。10nm10nm金层金层5 510keV10keV的的 能量损能量损失失第50页/共89页51/892.2.分辨时间与时间分辨本领分辨时间与时间分辨本领在P-N结探测器中，载流子的收集时间为10-910-8s，这是分辨时间的极限。分辨时间分辨时间受制于探测器输出电流脉冲的宽度。时间分辨本领时间分辨本领时间分辨本领时间分辨本领，要考虑：，要考虑：1.信号是什么时候产生的？信号是什么时候产生的？脉冲信号的上升时间。脉冲信号的上升时间。电压放大器：电压放大器：
30、10-910-8s电流放大器：更小电流放大器：更小2.粒子入射与信号产生时刻的关系？粒子入射与信号产生时刻的关系？时滞基本为时滞基本为0P-NP-N结半导结半导体探测器的体探测器的时间分辨本时间分辨本领为领为nsns级级。第51页/共89页52/893.3.辐照辐照寿命寿命过量的辐射会导致：过量的辐射会导致：漏电流的增加。漏电流的增加。分辨率变坏。甚至单能射线出现多个峰。分辨率变坏。甚至单能射线出现多个峰。时间特性变差。时间特性变差。半导体探测器的正常工作有赖于完美的晶体结构以减少载流子的陷落，保证完整的电荷收集。辐射却有可能破坏这一点，尤其是重带电粒子。第52页/共89页53/894.P-N
31、4.P-N结型半导体探测器的应用结型半导体探测器的应用1.)重带电粒子的测量优异的能量分辨率和线性优异的能量分辨率和线性谱仪谱仪 能量能量(MeV)半宽度半宽度(keV)实验条件实验条件参考文献参考文献面垒探测器面垒探测器5.48011面积面积7mm2，温度，温度 30 CP.Siffert,Thesis,Strasbourg(1966).电离室电离室5.68114充气：氩充气：氩+0.8%乙炔乙炔Zh.Eksp.Teor.Fiz.43(1962)426.闪烁计数器闪烁计数器5.30595CsI(Tl)Rev.Sci.Instr.31(1960)974.第53页/共89页54/892.)dE/
32、dX探测器3.)半导体夹层谱仪4.)剂量监测第54页/共89页55/89P-N结型探测器的不足P-N结型探测器适合测量如粒子这样的短射程粒子，但不适合对穿透力较强的射线进行测量。P-N结型探测器灵敏体积的线度一般不超过1mm 1MeV的 粒子在硅中的射程1.6mm对 射线的探测效率太低第55页/共89页56/896.1 半导体基本性质半导体基本性质6.2 均匀型半导体探测器均匀型半导体探测器6.3 P-N结型半导体探测器结型半导体探测器6.4 P-I-N6.4 P-I-N型半导体探测器型半导体探测器型半导体探测器型半导体探测器6.5 高纯锗高纯锗HPGe半导体探测器半导体探测器6.6 锂漂移和
33、锂漂移和HPGe半导体探测器的性半导体探测器的性能与应用能与应用6.7 其它半导体探测器其它半导体探测器 第56页/共89页57/896.4 P-I-N型半导体探测器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结的形成结的形成结的形成结的形成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PPNNImmcm，V200cm3第57页/共89页58/89一锂的漂移特性及P-I-N结的形成1.间隙型杂质LiLi为施主杂质，电离能很小 0.033eVLi漂移速度“个头个头”小，扩散系数大。小，扩散系数大。当温度当温度T
34、 增大时，增大时，(T)增大，增大，Li+漂移速度增大。漂移速度增大。第58页/共89页59/892.P-I-N结的形成 基体用P型半导体(因为极高纯度的材料多是P型的)，例如掺硼的Si或Ge单晶。(1)一端表面蒸Li，Li离子化为Li+,形成PN结。(2)另一端表面蒸金属，引出电极。外加电场，使Li+漂移。Li+与受主杂质(如Ga-)中和，并可实现自动补偿形成 I I 区区。(3)形成P-I-NP-I-N结，未漂移补偿区仍为P，引出电极。第59页/共89页60/89PN+IntrinsicFront metallizationOhmic back contactTo positive bia
35、s voltage 由硅作为基体的探测器称为Si(Li)探测器，由锗作为基体的探测器称为Ge(Li)探测器。锂离子是用于漂移成探测器的唯一的离子。第60页/共89页61/89锂离子在外加电场作用下向右漂移。NLi较大处会引起电场变化，加速多余的锂离子向右漂移。ab锂离子漂移区域不存在空间电荷，为均匀电场分布。第61页/共89页62/89二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杂质浓度电荷分布电位电场VC关于关于I区：区：完全补偿区，呈电中性为均匀电场；完全补偿区，呈电中性为均匀电场；为耗尽层，电阻率可达为耗尽层，电阻率可达1010 cm；厚度可达厚度可达1020mm，为灵敏
36、体积。，为灵敏体积。电容电压特性第62页/共89页63/892.工作条件为了降低探测器本身的噪声和FET的噪声，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FET都置于真空低温真空低温真空低温真空低温的容器内，工作于液氮温度液氮温度液氮温度液氮温度(77K)(77K)(77K)(77K)。对对Ge(Li)Ge(Li)探测器探测器由于锂在锗中的迁移率较高，须须保保持持在在低低温温下下，以防止LiLi+GaGa-离子对 离解，使Li+沉积而破坏原来的补偿；对对Si(Li)Si(Li)探测器探测器由于锂在硅中的迁移率较低，在常常温温下保存而无永久性的损伤。第63页/共89页64/896.1
37、半导体基本性质半导体基本性质6.2 均匀型半导体探测器均匀型半导体探测器6.3 P-N结型半导体探测器结型半导体探测器6.4 P-I-N型半导体探测器型半导体探测器6.5 6.5 高纯锗高纯锗高纯锗高纯锗HPGeHPGe半导体探测器半导体探测器半导体探测器半导体探测器6.6 锂漂移和锂漂移和HPGe半导体探测器的性半导体探测器的性能与应用能与应用6.7 其它半导体探测器其它半导体探测器 第64页/共89页65/896.5 高纯锗HPGe半导体探测器1 1why HPGe detectorwhy HPGe detector？2 2HPGeHPGe的工作原理的工作原理的工作原理的工作原理第65页/
38、共89页66/89一.why HPGe detector？锂漂移探测器需要低温保存与使用锂漂移探测器需要低温保存与使用生产周期生产周期(锂漂移时间锂漂移时间)长：长：3060天天1980年之后，年之后，Ge(Li)已经停止生产，并被已经停止生产，并被HPGe所取代所取代HPGe技术产生于技术产生于70年代中期年代中期Ge的纯度可以达到的纯度可以达到PPT（10-12）Si的纯度难以做到这个纯度的纯度难以做到这个纯度第66页/共89页67/89二工作原理耗尽层的宽度：纯化，纯化，N1010原子原子/cm3，一般半导体的纯度为一般半导体的纯度为1015/cm3利用利用HPGe，可使，可使W10mm
39、，形成高纯锗，形成高纯锗(HPGe)探测器探测器大体积灵敏区：增加工作电压V，降低杂质密度N。高纯锗探测器：P-N结型探测器，常温保存，低温使用。第67页/共89页68/89P-N结的构成采用高纯度的采用高纯度的 P P P P型型型型GeGe单晶单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质杂质(如磷或锂如磷或锂)形成形成 N NN N区区区区 和和 N NN N+，并形成，并形成P-NP-NP-NP-N结结结结。另另一一端端蒸蒸金金属属形形成成 P P P P+，并并作作为为入入射射窗窗。两两端端引引出电极。出电极。因为杂质浓度极低，相应的电阻率很
40、高电阻率很高。空间电荷密度很小，P P区的耗尽层厚度大耗尽层厚度大。第68页/共89页69/89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69页/共89页70/89高纯锗探测器的特点1)P区存在空间电荷，区存在空间电荷，HPGe半导体探测器是半导体探测器是PNPN结结结结型探测器。型探测器。2)P区为非均匀电场非均匀电场。3)P区为区为灵敏体积灵敏体积灵敏体积灵敏体积，其厚度与外加电压有关，其厚度与外加电压有关，一般工作于一般工作于全耗尽状态全耗尽状态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常温下保存常温下保存，低温下低温下
41、低温下低温下工作工作工作工作。第70页/共89页71/896.1 半导体基本性质半导体基本性质6.2 均匀型半导体探测器均匀型半导体探测器6.3 P-N结型半导体探测器结型半导体探测器6.4 P-I-N型半导体探测器型半导体探测器6.5 高纯锗高纯锗HPGe半导体探测器半导体探测器6.6 6.6 锂漂移和锂漂移和锂漂移和锂漂移和HPGeHPGe半导体探测器的性半导体探测器的性半导体探测器的性半导体探测器的性能与应用能与应用能与应用能与应用6.7 其它半导体探测器其它半导体探测器 第71页/共89页72/896.6 高纯锗和锂漂移探测器的性能与应用1.结构 对两种不同的结构形式，由于空间电荷的作
42、用，灵敏体积内的电场分布是不同的。单端同轴双端同轴型双端同轴型表面漏电流表面漏电流较大，增加较大，增加噪声。噪声。同轴型同轴型同轴型同轴型：体积较大，灵敏区体积较大，灵敏区体积可达体积可达 750cm3，用于，用于 射线的探测。射线的探测。平面型平面型：体积较小(1030cm3)，厚度一般小于2.0cm，常用于低能 或X射线的探测。双端同轴单端同轴型电场径向一致性较差(角落处)通过磨圆、加长内芯电极可加以改善。第72页/共89页73/89第73页/共89页74/892.输出信号载流子：电子和空穴。载流子：电子和空穴。漂移速度很快，电子数倍于空穴，载流子收集时间短，可获得快上漂移速度很快，电子数
43、倍于空穴，载流子收集时间短，可获得快上升时间的电压脉冲。升时间的电压脉冲。但上升时间与入射粒子的位置有关，是但上升时间与入射粒子的位置有关，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。但总电荷量与位置无关，采用电荷灵敏前放可获得同样输出电压。但总电荷量与位置无关，采用电荷灵敏前放可获得同样输出电压。平面型探测器同轴型探测器可与电离室的输出信号进行类比第74页/共89页75/893.能量分辨率其中：为载流子数的涨落。探测器及电子仪器噪声；为载流子由于陷阱效应带来的涨落，通过适当提高偏置电压减小。Si(Li)和Ge(Li)平面型探测器多用于低能(X)射线的探测，其能量分辨率常以55F
44、e的衰变产物55Mn的KX能量5.95KeV为标准，一般指标约：HPGe，Ge(Li)同轴型探测器用于 射线探测，常以60Co能量为1.332MeV的 射线为标准，一般指标约：第75页/共89页76/894.对的探测效率光电、康普顿、电子对（光电、康普顿、电子对（1.022MeV）是探测）是探测的基本相的基本相互作用互作用高分辨率高分辨率用作能谱分析（而非计数器）用作能谱分析（而非计数器）关心全能峰关心全能峰（光电效应多次康普顿散射）起作用（光电效应多次康普顿散射）起作用第76页/共89页77/895.峰康比峰顶计数与康普顿坪平均计数之比：2090。增大探测器灵敏体积增大探测器灵敏体积改善几何
45、形状：长度直径改善几何形状：长度直径通过康普顿反符合技术可进通过康普顿反符合技术可进一步提高峰康比一个量级一步提高峰康比一个量级分析复杂能谱时，希望有高的峰康比想一想：如何提高峰康比？第77页/共89页78/896.能量线性非常好对不同种类的射线，如，平均电离能差别很小对同种类但能量不同的射线，差别也很小，如射线150300keV(0.03%)3001300keV(11(h)(cm2/V)210-4610-6410-5 11电离能电离能/e-h对对4.435.04.33.61(300K)3.76(300K)2.98(77K)最佳最佳射线能射线能量分辨率量分辨率1.7keV60keV(300K)
46、3.5keV122keV(300K)11.6keV662keV(300K)3.2keV122keV(300K)5.96keV662keV(300K)400eV60keV（77K）550eV122keV(77K)400eV122keV(77K)900eV662keV(77K)1300eV1332keV(77K)第86页/共89页87/89这三类探测器的优势市场上已在销售这三种材料制成的探测器，谱仪，成像系统。85%的100keV光子被完全吸收：1mm厚的HgI2,2.6mm厚的CdTe,10mm厚的Ge高探测效率(高Z，高密度），CdTe 的光电几率是Ge 45倍,HgI2 为 50倍室温操作（高带宽）高电阻率小的探测器体积第87页/共89页88/892.雪崩型半导体探测器内放大及结构特点，E2104V/cm，改善信噪比。用于生物、医学领域，体内测量软X射线。3.位置灵敏半导体探测器硅微条位置灵敏探测器(SMD)，条距为20 m，工作于全耗尽状态。位置分辨率可达23 m。第88页/共89页89/89感谢您的观看！第89页/共89页