半導(dǎo)體探測(cè)器基本性質(zhì)、分類和應(yīng)用

1、半導(dǎo)體探測(cè)器基本性質(zhì)。分類和應(yīng)用第九章 半導(dǎo)體探測(cè)器9.1 半導(dǎo)體的基本性質(zhì)9.2 P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器9.3 P-I-N型半導(dǎo)體探測(cè)器9.4 高純鍺（HpGe）半導(dǎo)體探測(cè)器9.5 其他半導(dǎo)體探測(cè)器9.1 半導(dǎo)體基本性質(zhì)一本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體二半導(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)三半導(dǎo)體探測(cè)器基本原理半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體材料均屬具有一定晶格結(jié)構(gòu)材料，晶體材料內(nèi)部的原子（或離子）均有規(guī)則的按一定方式排列（原子排列的格式就叫晶格）并有固定的熔點(diǎn)。9.1 半導(dǎo)體基本性質(zhì)圖：金剛石、硅、鍺的晶格結(jié)構(gòu)能帶理論介紹晶體內(nèi)的電子公有化電子不再?gòu)膶儆谀硞€(gè)特定的原子，而

2、是從屬于整個(gè)晶體，可以在晶體內(nèi)的任何原子核附近出現(xiàn)晶體內(nèi)的“能帶”對(duì)于公有化的電子而言，應(yīng)把整個(gè)晶體看做一個(gè)系統(tǒng)，公有化電子的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)應(yīng)與整個(gè)晶體的各個(gè)能級(jí)相對(duì)應(yīng)。9.1 半導(dǎo)體基本性質(zhì)與單個(gè)原子的某能級(jí)對(duì)應(yīng)，在晶體中將存在N個(gè)能級(jí)（N是晶體的總原子數(shù)），這些能級(jí)間隔很近，其能量值均在原來(lái)單個(gè)原子的對(duì)應(yīng)能級(jí)附近。單個(gè)原子中處于該能級(jí)上的電子在晶體中被公有化以后，將全處于這一族間隔很近的能級(jí)上。晶體中這一族間隔很近的能級(jí)稱作“能帶”，顯然，與單個(gè)原子中個(gè)能級(jí)相對(duì)應(yīng)，在晶體內(nèi)存在一系列的能帶。9.1 半導(dǎo)體基本性質(zhì) 固體的導(dǎo)電性： 物體導(dǎo)電是物體內(nèi)電子在外電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。 導(dǎo)體、半導(dǎo)

3、體、絕緣體的能帶 由于電場(chǎng)力對(duì)電子的作用，使電子的運(yùn)動(dòng)速度和能量發(fā)生變化。從能帶論來(lái)看，電子能量變化就是電子從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)上。 滿帶：能級(jí)已被電子所占滿，一般外電場(chǎng)作用時(shí)，其電子不形成電流，對(duì)導(dǎo)電沒(méi)有貢獻(xiàn)。 導(dǎo)帶：能帶被電子部分占滿，在外電場(chǎng)作用下，電子從外電場(chǎng)吸收能量躍遷到未被電子占據(jù)的能級(jí)上去，形成電流，起導(dǎo)電作用。 禁帶：滿帶和導(dǎo)帶之間的禁區(qū)稱為禁帶，其寬度也稱為能隙，記做Eg9.1 半導(dǎo)體基本性質(zhì)9.1 半導(dǎo)體基本性質(zhì)9.1 半導(dǎo)體基本性質(zhì)導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體之間的差別在于禁帶寬度不同： 導(dǎo)體不存在禁帶，滿帶和導(dǎo)電交織在一起； 半導(dǎo)體禁帶較窄， 絕緣體禁帶較寬，Eg=2-1

4、0eV 由于能帶取決于原子間距，所以Eg與溫度和壓力有關(guān)。一般禁帶寬度大的材料，耐高溫性能和耐輻照性能好。一、本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體1、 本征半導(dǎo)體： 由于熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的載流子濃度稱為本征載流子濃度，且導(dǎo)帶中的電子數(shù)和價(jià)帶中的空穴數(shù)嚴(yán)格相等。 即ni=pi 。理想、無(wú)雜質(zhì)的半導(dǎo)體. 一般情況下，半導(dǎo)體的滿帶完全被電子占滿，導(dǎo)帶中沒(méi)有電子。在熱力學(xué)溫度為零時(shí)，即使有外電場(chǎng)作用， 它們并不導(dǎo)電。但是當(dāng)溫度升高或有光照時(shí)，半導(dǎo)體 滿帶中少量電子會(huì)獲得能量而被激發(fā)到導(dǎo)帶上，這些電子在外電場(chǎng)作用下將參與導(dǎo)電。同時(shí)滿帶中留下的空穴也參與導(dǎo)電。 固體物理理論已證明半導(dǎo)體內(nèi)的載流子平衡濃度為：N型（電子型）半

5、導(dǎo)體： 導(dǎo)帶內(nèi)電子運(yùn)動(dòng)。 P型（空穴型）半導(dǎo)體： 滿帶內(nèi)空穴運(yùn)動(dòng)。 載流子： 是電子和空穴的統(tǒng)稱。溫度高，禁帶寬度小，產(chǎn)生的 載流子數(shù)目就多；產(chǎn)生得越多，電子與空穴復(fù)合的幾率也越大。 在一定溫度下，產(chǎn)生率和復(fù)合率達(dá)到相對(duì)平衡，半導(dǎo)體中保持一 定數(shù)目的載流子。 一、本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體 ni為單位體積中的電子的數(shù)目，下標(biāo)“i”表示本征(Intrinsic)材料。T為材料的絕對(duì)溫度，EG為能級(jí)的禁帶寬度。禁帶寬度：一、本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體 半導(dǎo)體中的載流子密度小，隨溫度變化。一、本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體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)。對(duì)于摻雜半導(dǎo)體，除了本征激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴

6、對(duì)以外，還有施主雜質(zhì)提供的電子和受主雜質(zhì)提供的空穴， 所以電子和空穴的濃度不相等。 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)。雜質(zhì)類型：替位型，間隙型。1) 替位型：III族元素，如B(硼)、Al(鋁)、Ga(鎵)等； V族元素，如P(磷)、As(砷)、 Sb(銻) 等。2) 間隙型：Li，可在晶格間運(yùn)動(dòng)。3) 施主雜質(zhì)(Donor impurities)與施主能級(jí) 施主雜質(zhì)為V族元素(如磷,鋰)其在半導(dǎo)體中形成的局部能級(jí)( )接近禁帶頂部(即導(dǎo)帶底部)，則 。在室溫下，雜質(zhì)原子的原來(lái)處于其局部能級(jí)上的電子很易因熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)入導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶中的電子數(shù)增多，并使該雜質(zhì)原子自身處于離化狀態(tài)

7、。這類雜質(zhì)原子越多，則導(dǎo)帶內(nèi)的電子局部能級(jí)越多。這類摻有施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為N 型半導(dǎo)體。 常用的五價(jià)元素有：P(磷)、As(砷)、Sb(銻)、Li(鋰）等。五價(jià)元素原子的第5個(gè)價(jià)電子都激發(fā)到導(dǎo)帶中參與導(dǎo)電，五價(jià)元素原子成為正離子，是不能移動(dòng)的正電中心。這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電主要是電子貢獻(xiàn)。電子濃度：施主雜質(zhì)濃度一、本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體4)受主雜質(zhì)(Acceptor impurities)與受主能級(jí) 受主雜質(zhì)為III族元素，受主雜質(zhì)在半導(dǎo)體中形成的局部能級(jí)一定很接近禁帶底部(即滿帶頂部)， 表示該局部能級(jí)與滿帶頂部的能量差值，則 室溫下滿帶中電子容易躍遷這些能級(jí)上；在滿帶中出現(xiàn)空穴。所以，此時(shí)多數(shù)

8、載流子為空穴，雜質(zhì)原子成為負(fù)電中心。這類雜質(zhì)稱為“受主雜質(zhì)”，所產(chǎn)生的局部能級(jí)稱為“受主能級(jí)”。摻有受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為P 型半導(dǎo)體?？昭舛龋菏苤麟s質(zhì)濃度一、本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)缺陷點(diǎn)缺陷：晶格上出現(xiàn)空位或應(yīng)該空位處出現(xiàn)了原子。線缺陷：晶體受應(yīng)力作用發(fā)生錯(cuò)位（沿平面滑移）。 缺陷團(tuán)：晶體內(nèi)點(diǎn)缺陷或線缺陷等復(fù)合而成的復(fù)雜缺陷。 晶格缺陷也能俘獲或放出電子，相當(dāng)于在晶體禁帶中附加受主或施主能級(jí)，也起受主或施主作用。Doping with valence 5 atomsDoping with valence 3 atomsN-type semiconductorP-

9、type semiconductor一、本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體空穴濃度：電子濃度： 式中，E1為導(dǎo)帶底；E2為價(jià)帶頂。Cn和Cp為與禁帶內(nèi)能級(jí)分布無(wú)關(guān)的常數(shù)。所以： 可見(jiàn)，對(duì)半導(dǎo)體材料，在一定溫度下，np僅與禁帶寬度有關(guān)。因此，在相同溫度下，本征半導(dǎo)體的相等的兩種載流子密度之積與摻雜半導(dǎo)體的兩種載流子密度之積相等，即：1、載流子密度二半導(dǎo)體作為探測(cè)介質(zhì)的物理性能2、補(bǔ)償效應(yīng)二半導(dǎo)體作為探測(cè)介質(zhì)的物理性能 對(duì)N型半導(dǎo)體：n p，可以加入受主雜質(zhì)，使之成為本征半導(dǎo)體，此時(shí)n = p = ni，也稱為“準(zhǔn)本征半導(dǎo)體”（實(shí)現(xiàn)了完全補(bǔ)償）；進(jìn)一步加入受

10、主雜質(zhì)，可變?yōu)镻型半導(dǎo)體，即p n。對(duì)本征半導(dǎo)體：對(duì)雜質(zhì)半導(dǎo)體： ， 但仍滿足當(dāng) n = p 時(shí)，載流子總數(shù) 取最小值。3、平均電離能 非平衡載流子： 入射粒子產(chǎn)生的載流子。類似氣體 電離，產(chǎn)生一對(duì)電子空穴對(duì)所需消耗的能量稱作平均電離能， w與 Eg 一樣與半導(dǎo)體材料和溫度有關(guān)。 300K，w(Si)=3.62eV w。 77K，w， w。 半導(dǎo)體中的平均電離能與入射粒子能量無(wú)關(guān)。在半導(dǎo)體中消耗能量為E時(shí)，產(chǎn)生的載流子數(shù)目N為：二半導(dǎo)體作為探測(cè)介質(zhì)的物理性能4、載流子的遷移率當(dāng)E 103V/cm時(shí)：二半導(dǎo)體作為探測(cè)介質(zhì)的物理性能 300K，(Si) 77K，(Si)遷移率隨溫度下降而上升， 3

11、00K，(Ge) 電子遷移率與空穴遷移率相差倍數(shù)，由于 電子遷移率n 和 空穴遷移率p 相近，與氣體探測(cè)器不同，不存在電子型或空穴型半導(dǎo)體探測(cè)器。 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中的漂移速度二半導(dǎo)體作為探測(cè)介質(zhì)的物理性能當(dāng)電場(chǎng)升高時(shí)，漂移速度隨電場(chǎng)的增加速率變慢；當(dāng)E 1045V/cm時(shí)：達(dá)到飽和漂移速度107cm/sec.空穴在Ge中的漂移速度 電場(chǎng)一定時(shí)，低溫的漂移速度大。 低溫：Es 103V/cm； 室溫：Es 104V/cm。二半導(dǎo)體作為探測(cè)介質(zhì)的物理性能 摻雜會(huì)大大降低半導(dǎo)體材料的電阻率；對(duì)硅來(lái)說(shuō)摻雜對(duì)電阻率的影響比鍺顯著得多；

12、降低半導(dǎo)體材料溫度可以提高電阻率。5、電阻率： 電阻率與電子、空穴濃度及其遷移率有關(guān)， (Si)=2.3105 ； (Ge) = 50100 通過(guò)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。二半導(dǎo)體作為探測(cè)介質(zhì)的物理性能本征電阻率：二半導(dǎo)體作為探測(cè)介質(zhì)的物理性能6、復(fù)合和俘獲： 1）導(dǎo)帶上的電子直接被滿帶中空穴俘獲； 2）通過(guò)晶體中雜質(zhì)和晶格缺陷在禁帶內(nèi)的中間能級(jí) 復(fù)合中心和俘獲中心進(jìn)行。二半導(dǎo)體作為探測(cè)介質(zhì)的物理性能7、載流子壽命： 載流子從產(chǎn)生到消失(俘獲、復(fù)合)的平均時(shí)間間隔 。非平衡載流子數(shù)目N0隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律衰減。8、擴(kuò)散長(zhǎng)度或俘獲長(zhǎng)度： 表示非平衡載流子從產(chǎn)生到消

13、失前平均移動(dòng)的距離。只有當(dāng)漂移長(zhǎng)度 大于靈敏體積的長(zhǎng)度才能保證載流子的有效收集。對(duì)高純度的Si和Ge 10-3s，決定了Si和Ge為最實(shí)用的半導(dǎo)體材料。擴(kuò)散長(zhǎng)度必須大于探測(cè)器靈敏區(qū)厚度。二半導(dǎo)體作為探測(cè)介質(zhì)的物理性能半導(dǎo)體探測(cè)器材料： 長(zhǎng)載流子壽命； 高電阻率(漏電流小，結(jié)電容小)。 高的電阻率和長(zhǎng)的載流子壽命是組成半導(dǎo)體探測(cè)器的關(guān)鍵。二半導(dǎo)體作為探測(cè)介質(zhì)的物理性能材料要求物理要求L n,p大或n,p大電荷收集效率高能量分辨好Eg大使用溫度高抗輻照性能好雜質(zhì)濃度低靈敏區(qū)厚度大原子序數(shù)大射線探測(cè)效率高材料和加工工藝合適可生產(chǎn)有用的探測(cè)器對(duì)半導(dǎo)體探測(cè)器材料的基本要求二半導(dǎo)體作為探測(cè)介質(zhì)的物理性能

14、半導(dǎo)體探測(cè)器的基本原理是帶電粒子在半導(dǎo)體探測(cè)器的靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，電子空穴對(duì)在外電場(chǎng)的作用下漂移而輸出信號(hào)。把氣體探測(cè)器中的電子離子對(duì)、閃爍探測(cè)器中被 PMT第一打拿極收集的電子 及半導(dǎo)體探測(cè)器中的電子空穴對(duì)統(tǒng)稱為探測(cè)器的信息載流子。產(chǎn)生每個(gè)信息載流子的平均能量分別為30eV(氣體探測(cè)器)，300eV(閃爍探測(cè)器)和3eV(半導(dǎo)體探測(cè)器)。三半導(dǎo)體探測(cè)器基本原理半導(dǎo)體探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)：(1) 能量分辨率最佳；(2) 射線探測(cè)效率較高，可與閃爍探測(cè)器相比。(3) 線性范圍寬缺點(diǎn)：（1）輻射損傷較靈敏，受強(qiáng)輻射后性能變差（2）常用的鍺探測(cè)器，需要在低溫條件下工作，甚至要求在低溫下保存，使用不便

15、。三半導(dǎo)體探測(cè)器基本原理常用半導(dǎo)體探測(cè)器有：(1) P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器；(2) P-I-N型半導(dǎo)體探測(cè)器；(3) 高純鍺半導(dǎo)體探測(cè)器；三半導(dǎo)體探測(cè)器基本原理9.2 P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器一工作原理二P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器的類型三輸出信號(hào)四P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器的性能與應(yīng)用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(guò)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)。一工作原理多數(shù)載流子擴(kuò)散，空間電荷形成內(nèi)電場(chǎng)并形成結(jié)區(qū)

16、。結(jié)區(qū)內(nèi)存在著勢(shì)壘，結(jié)區(qū)又稱為勢(shì)壘區(qū)。勢(shì)壘區(qū)內(nèi)為耗盡層，無(wú)載流子存在，實(shí)現(xiàn)高電阻率，達(dá) ，遠(yuǎn)高于本征電阻率。一工作原理結(jié)合前，N區(qū)的電子比P區(qū)多，P區(qū)的空穴比N區(qū)多。結(jié)合后，電子由N區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散與空穴復(fù)合；空穴由P區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散與電子復(fù)合。擴(kuò)散的結(jié)果形成PN結(jié)。在PN結(jié)區(qū)，電子空穴很少，剩下的雜質(zhì)正負(fù)離子形成空間電荷區(qū)，其內(nèi)電場(chǎng)方向由N區(qū)指向P區(qū)，阻止電子、空穴繼續(xù)擴(kuò)散，并造成少數(shù)載流子的反向漂移運(yùn)動(dòng)。當(dāng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和反向漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到平衡時(shí)，P區(qū)或N區(qū)的電子空穴濃度就不再變化。這個(gè)由雜質(zhì)離子組成的空間電荷區(qū)，即PN結(jié)區(qū)，亦稱耗盡區(qū)，阻擋層，勢(shì)壘區(qū)。一工作原理 少數(shù)能量較高的電子空穴會(huì)穿過(guò)勢(shì)壘區(qū)擴(kuò)散到

17、對(duì)方區(qū)域，形成正向電流 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 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)，一工作原理2 外加電場(chǎng)下的P-N結(jié)： 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)與內(nèi)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。一工作原理在外加反向電壓時(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

18、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。PN結(jié)的偏壓特性加反向電壓，N區(qū)接正， P區(qū)接負(fù)，外加電場(chǎng)方向與內(nèi)建電場(chǎng)方向相同，使耗盡層增厚，漂移運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)。當(dāng)帶電粒子穿過(guò)時(shí)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在高電場(chǎng)下分別向正負(fù)電極漂移，產(chǎn)生信號(hào)。信號(hào)幅度正比于電子空穴對(duì)數(shù)目，正比于入射粒子損失能量。所以加反向偏壓的PN結(jié)就是結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器的靈敏區(qū)。3、勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)分布 在高電阻率半導(dǎo)體材料表面摻雜形成勢(shì)壘區(qū)。 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)一工作原理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

19、場(chǎng)積分，可以得到勢(shì)壘分布：E(x)一工作原理mm 結(jié)區(qū)寬度與外加電壓的關(guān)系當(dāng)x = 0時(shí)，P區(qū)和N區(qū)的電位應(yīng)相等，即又因：所以：一工作原理當(dāng)NDNA時(shí)，d1 d2 。則當(dāng)NAND時(shí)，d2 d1 。則一般可寫(xiě)成：Ni為摻雜少的一邊的雜質(zhì)濃度。結(jié)區(qū)寬度的限制因素受材料的擊穿電壓的限制：受暗電流的限制，因?yàn)椋阂还ぷ髟鞸i例如：?jiǎn)枺?反向工作電壓？ 結(jié)區(qū)厚度？ 結(jié)區(qū)電容？ W =200m C =41pF V =45V5、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：pF/cm2pF/cm2 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。

20、一工作原理P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器的基本原理勢(shì)壘區(qū)靈敏體積結(jié)區(qū)外的兩部分半導(dǎo)體二個(gè)電極一旦入射粒子在勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生了電子-空穴對(duì)，電子與空穴將立刻被電場(chǎng)掃向兩邊，從而給出信號(hào)電流。一工作原理為什么半導(dǎo)體PN結(jié)可作為靈敏區(qū)？1）在PN結(jié)區(qū)可移動(dòng)的載流子基本被耗盡，只留下電離了的正負(fù)電中心，對(duì)電導(dǎo)率無(wú)貢獻(xiàn)，其具有很高的電阻率。2）PN結(jié)加上一定負(fù)偏壓，耗盡區(qū)擴(kuò)展，可達(dá)全耗盡，死層極薄，外加電壓幾乎全部加到PN結(jié)上，形成很高電場(chǎng)。3）漏電流很小，有很好的信噪比。一工作原理采用擴(kuò)散工藝高溫?cái)U(kuò)散或離子注入；材料一般選用P型高阻硅，電阻率為1000；把施主雜質(zhì)(P)擴(kuò)散到P型Si材料中，形成P-N結(jié)。通過(guò)控制擴(kuò)散

21、溫度和擴(kuò)散時(shí)間，得到1m以下的薄入射窗。在電極引出時(shí)一定要保證為歐姆接觸，以防止形成另外的結(jié)。 性能穩(wěn)定，高溫使載流子壽命減小，窗損失能量。二P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器的類型1、 擴(kuò)散結(jié)(Diffused Junction)型探測(cè)器2) 金硅面壘(Surface Barrier)探測(cè)器 一般用N型高阻硅，在N型Si上蒸薄Au，透過(guò)Au層的氧化作用，表面蒸金50100g/cm2 氧化形成P型硅，叫做金硅面壘探測(cè)器，Si(Au)。 入射窗薄，噪聲小。光敏，耐高溫特性不好。工藝成熟、簡(jiǎn)單、價(jià)廉。 二P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器的類型面壘型金硅面壘探測(cè)器優(yōu)點(diǎn)：窗薄，噪聲低，不經(jīng)高溫處理，能量分辨率高，能量線性響

22、應(yīng)好。工藝簡(jiǎn)單，成品率高，易于制得大面積探測(cè)器。主要用于測(cè)量質(zhì)子、粒子和重離子等帶電粒子。二P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器的類型1) 輸出回路 須考慮結(jié)電阻Rd和結(jié)電容Cd，結(jié)區(qū)外半導(dǎo)體材料的電阻和電容RS，CS。三、輸出信號(hào)三、輸出信號(hào)2) 輸出信號(hào) 當(dāng) R0(Cd+Ca) tc ( tc為載流子收集時(shí)間 )時(shí)，為電壓脈沖型工作狀態(tài)：脈沖后沿以時(shí)間常數(shù)R0(Cd+Ca) 指數(shù)規(guī)律下降。脈沖前沿從粒子入射至全部載流子被收集(tc)。但是，由于輸出電壓脈沖幅度h與結(jié)電容Cd有關(guān)，而結(jié)電容 隨偏壓而變化，因此當(dāng)所加偏壓不穩(wěn)定時(shí)，將會(huì)使 h 發(fā)生附加的漲落， 不利于能譜的測(cè)量；為解決該矛盾，PN結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)

23、器通常不用電壓型或電流型前置放大器，而是采用電荷靈敏前置放大器。電荷靈敏放大器的輸入電容極大，可以保證 C入 Cd ，而 C入是十分穩(wěn)定的，從而大大減小了Cd變化的影響。若反饋電容和反饋電阻為Cf和Rf，則輸出脈沖幅度為：輸出回路的時(shí)間常數(shù)為：2) 輸出信號(hào)3) 載流子收集時(shí)間 由于在邊界，電場(chǎng)強(qiáng)度趨于0，定義載流子掃過(guò) xW 的距離的時(shí)間為載流子收集時(shí)間：可以獲得快的上升時(shí)間。 主要用于測(cè)量重帶電粒子的能譜，如,p等，一般要求耗盡層厚度大于入射粒子的射程。1) 能量分辨率影響能量分辨率的因素為：(1) 輸出脈沖幅度的統(tǒng)計(jì)漲落 式中：F為法諾因子，對(duì)Si，F(xiàn)；對(duì)Ge，F(xiàn)。w為產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)

24、所需要的平均能量。四P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器的性能與應(yīng)用能量分辨率可用FWHM表示： FWHM 或 E 稱為半高寬或線寬，單位為：KeV。以210Po的 EMeV 的粒子為例， 對(duì)一種PN結(jié)探測(cè)器，由于輸出脈沖幅度的統(tǒng)計(jì)漲落引起的線寬為：(2) 探測(cè)器和電子學(xué)噪聲 探測(cè)器的噪聲由P-N結(jié)反向電流及表面漏電流的漲落造成； 電子學(xué)噪聲主要由第一級(jí)FET構(gòu)成，包括：零電容噪聲和噪聲斜率。 噪聲的表示方法：等效噪聲電荷ENC，即放大器輸出噪聲電壓的均方根值等效于放大器輸入端的噪聲電荷，以電子電荷為單位；由于噪聲疊加在射線產(chǎn)生的信號(hào)上，使譜線進(jìn)一步加寬，參照產(chǎn)生信號(hào)的射線的能量，用FWHM表示，其單位就是

25、KeV。例如，ENC200電子對(duì)，由噪聲引起的線寬為：(3) 窗厚度的影響式中 為單位窗厚度引起的能量損失。得到總線寬為：例如：則：入射粒子通過(guò)探測(cè)器靈敏區(qū)之前的非耗盡層厚度稱為窗厚。 入射帶電粒子只有在靈敏區(qū)內(nèi)損失的能量對(duì)輸出脈沖有貢獻(xiàn)，但在進(jìn)入靈敏區(qū)前穿過(guò)一定厚度的窗也會(huì)損失一部分能量。窗厚可以采用測(cè)量單能重帶電粒子在兩個(gè)不同入射角入射時(shí)產(chǎn)生的脈沖幅度來(lái)確定。當(dāng)入射角=0時(shí)（即垂直入射），在窗內(nèi)損失能量為E1。入射角=45時(shí)，窗內(nèi)損失能量假設(shè)入射帶電粒子在窗材料中射程 ：則兩種入射情況下，在靈敏區(qū)損失的能量差為式中E1是用能量損失表示的窗厚。 對(duì)重帶電粒子主要是電離損失，則可由射程公式求出

26、窗厚。金硅面壘探測(cè)器的窗厚金層厚度硅基片未耗盡層（亦稱死層）厚。 V0適當(dāng)時(shí)可使d死很小。金層厚約（）m。所以窗比較薄，僅對(duì)低能重帶電粒子的能量進(jìn)行精確測(cè)量時(shí)才考慮窗厚的修正。（4）空氣和窗吸收的影響 入射帶電粒子從放射源發(fā)出到進(jìn)入探測(cè)器靈敏體積要經(jīng)過(guò)空氣層和入射窗并在其中損失一部分能量，造成 輸出脈沖幅度減小，譜峰有個(gè)低能尾部，從而使分辨率變差。 測(cè)能譜時(shí)可以把放射源盡可能靠近探測(cè)器。且還可以抽真空（把探測(cè)器放在真空中）從而可忽略空氣的吸收。 對(duì)金硅面壘探測(cè)器，窗主要是金層厚度 d ，入射粒子進(jìn)入探測(cè)器靈敏區(qū)的入射角在 0 max ，帶電粒子在金層中單位厚度的能量損失為 E，則入射帶電粒子穿

27、過(guò)金層 d厚度時(shí)引起的譜線展寬為2） 分辨時(shí)間與時(shí)間分辨本領(lǐng)：3） 能量線性很好，與入射粒子類型和能量基本無(wú)關(guān)4） 輻照壽命 輻照壽命是半導(dǎo)體探測(cè)器的一個(gè)致命的弱點(diǎn)。半導(dǎo)體探測(cè)器隨著使用時(shí)間的增加，造成載流子壽命變短，影響載流子的收集。例如，對(duì)MeV的粒子，當(dāng)達(dá)到109cm-2時(shí)，分辨率開(kāi)始變壞，達(dá)到1011cm-2時(shí)明顯變壞。9.3 P-I-N型半導(dǎo)體探測(cè)器一工作原理二輸出信號(hào)與主要性能三 P-I-N型半導(dǎo)體探測(cè)器的應(yīng)用為什么要發(fā)展P-I-N型探測(cè)器？ 1MeV的粒子在硅中的射程2mm， 而P-N結(jié)型探測(cè)器靈敏體積的線度一般不超過(guò)1mm。 P-N結(jié)型探測(cè)器探測(cè)和的效率太低。 帶正電的鋰離子與

28、帶負(fù)電的受主離子結(jié)合成中性的正負(fù)離子對(duì)。 在高電阻率的P型半導(dǎo)體材料表面摻入鋰原子，制成P-N結(jié)。一工作原理 由于補(bǔ)償作用，形成本征區(qū)。 構(gòu)成P-I-N結(jié)構(gòu)。 本征區(qū)I 電子空穴密度相等， N區(qū)和P區(qū)多數(shù)載流子密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于少數(shù)載流子密度， 存在不等式： 多數(shù)載流子擴(kuò)散，出現(xiàn)空間電荷。 空間電荷建立電場(chǎng)，阻止多數(shù)載流子進(jìn)一步擴(kuò)散。 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。 1、鋰漂移探測(cè)器的輸出信號(hào) 2、能量分辨率 3、線性 4、探測(cè)效率 絕對(duì)效率，本征效率 總效率， 峰效率 5、峰康比 6、分辨

29、時(shí)間二輸出信號(hào)與主要性能鋰漂移探測(cè)器的輸出信號(hào)探測(cè)效率絕對(duì)總效率絕對(duì)峰效率本征總效率本征峰效率三 P-I-N型半導(dǎo)體探測(cè)器的應(yīng)用 1、使用中的注意事項(xiàng) 2、鋰漂移探測(cè)器與其它射線譜儀的比較 與碘化鈉閃爍譜儀的比較 與正比計(jì)數(shù)器的比較 與晶體衍射譜儀的比較 3、半導(dǎo)體譜儀在核物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用 4、半導(dǎo)體譜儀在工業(yè)技術(shù)中的應(yīng)用要求低溫條件： 室溫下，離子對(duì)會(huì)離解； 降低反向電流和噪聲。9.4 高純鍺HPGe半導(dǎo)體探測(cè)器一工作原理二主要性能與應(yīng)用為什么要發(fā)展HPGe探測(cè)器？ 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)。耗盡層的寬度： 純化，N1010原子/cm3， 達(dá)W10mm，高純

30、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。一工作原理高純鍺探測(cè)器： P-N結(jié)型探測(cè)器，常溫保存，低溫使用。 補(bǔ)償，鋰漂移型探測(cè)器。靈敏區(qū)厚度：510 mm ：E 220 MeV p：Ep 60 MeV ：300 600 keV 工作在全耗盡狀態(tài)； 液氮溫度77K。形成P+-P-n+結(jié)構(gòu)。 P型區(qū)存在電荷，電場(chǎng)強(qiáng)度不均勻。平面型HPGe探測(cè)器 同軸型靈敏區(qū)體積大， 400cm3。同軸型HPGe探測(cè)器雙端同軸單端同軸 雙端同軸型表面漏電流較大，增加噪聲。 單端同軸型電場(chǎng)徑向一致性較差，通過(guò)磨園、加長(zhǎng)內(nèi)芯電極加以改善。1、能量分辨率： 同軸型測(cè)量的分辨率：1.52.； Si

31、(Li)、Ge(Li)測(cè)量x ： 160。二高純鍺和鋰漂移探測(cè)器的主要性能能量分辨率影響因素：（1）射線產(chǎn)生的電子空穴對(duì)數(shù)的漲落（2）探測(cè)器及電子學(xué)儀器的噪聲（3）電子空穴對(duì)的俘獲（4）工作溫度2、探測(cè)效率： 相對(duì)33吋的NaI(Tl)晶體 85cm3的HPGe 測(cè)量的探測(cè)效率19%。3、峰康比： 峰頂計(jì)數(shù)與康普頓坪平均計(jì)數(shù)之比，2080。4、電流脈沖寬度：109108 sec.。各種探測(cè)器測(cè)量分辨率比較探測(cè)器55Fe X5.9 keV137Cs 662 keV60Co 1332 keV241Am 5.485 MeV屏柵電離室1%Si(Au)3Si(Li)3%正比計(jì)數(shù)器16%Ge(Li)1.3NaI(Tl)52%7%6%NaI(Tl)和Ge(Li)的108Ag和110Ag能譜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)；三. 應(yīng) 用譜放大器(穩(wěn)定性，抗過(guò)載，極零調(diào)節(jié)，基線恢復(fù)等);譜儀的組成：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)。譜儀的應(yīng)用：活化分析；X射線熒光分析；核物理研究等。2) Si(Li)探測(cè)器 由于Si的Z14，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： 低能量的射線和X射線測(cè)量， 在可得到較高的光電