第九章半导体探测器课件.ppt

第九章 半导体探测器,西安交通大学核科学与技术学院,第九章 半导体探测器,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,9.1 半导体的基本性质9.2 P-N结半导体探测器9.3 P-I-N型半导体探测器9.4 高纯锗（HpGe）半导体探测器9.5 其他半导体探测器,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,9.1 半导体基本性质,一本征半导体与杂质半导体二半导体作为探测介质的物理性能,常用半导体材料：Si、Ge (IV族元素),三半导体探测器基本原理,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,半导体的晶体结构,半导体材料均属具有一定晶格结构材料，晶体材料内部的原子（或离子）均有规则的按一定方式排列（原子排列的格式就叫晶格）并有固定的熔点。,9.1 半导体基本性质,图：金刚石、硅、锗的晶格结构,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,能带理论介绍,晶体内的电子公有化电子不再从属于某个特定的原子，而是从属于整个晶体，可以在晶体内的任何原子核附近出现,晶体内的“能带”对于公有化的电子而言，应把整个晶体看做一个系统，公有化电子的不同运动状态应与整个晶体的各个能级相对应。,9.1 半导体基本性质,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,与单个原子的某能级对应，在晶体中将存在N个能级（N是晶体的总原子数），这些能级间隔很近，其能量值均在原来单个原子的对应能级附近。单个原子中处于该能级上的电子在晶体中被公有化以后，将全处于这一族间隔很近的能级上。晶体中这一族间隔很近的能级称作“能带”，显然，与单个原子中个能级相对应，在晶体内存在一系列的能带。,9.1 半导体基本性质,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,固体的导电性： 物体导电是物体内电子在外电场作用下定向运动的结果。 导体、半导体、绝缘体的能带 由于电场力对电子的作用，使电子的运动速度和能量发生变化。从能带论来看，电子能量变化就是电子从一个能级跃迁到另一个能级上。 满带：能级已被电子所占满，一般外电场作用时，其电子不形成电流，对导电没有贡献。 导带：能带被电子部分占满，在外电场作用下，电子从外电场吸收能量跃迁到未被电子占据的能级上去，形成电流，起导电作用。 禁带：满带和导带之间的禁区称为禁带，其宽度也称为能隙，记做Eg,9.1 半导体基本性质,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,9.1 半导体基本性质,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,9.1 半导体基本性质,导体、半导体和绝缘体之间的差别在于禁带宽度不同： 导体不存在禁带，满带和导电交织在一起； 半导体禁带较窄，Eg=0.1-2.2eV 绝缘体禁带较宽，Eg=2-10eV 由于能带取决于原子间距，所以Eg与温度和压力有关。一般禁带宽度大的材料，耐高温性能和耐辐照性能好。,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,一、本征半导体和杂质半导体,1、 本征半导体：,由于热运动而产生的载流子浓度称为本征载流子浓度，且导带中的电子数和价带中的空穴数严格相等。 即ni=pi 。,理想、无杂质的半导体.,一般情况下，半导体的满带完全被电子占满，导带中没有电子。在热力学温度为零时，即使有外电场作用， 它们并不导电。但是当温度升高或有光照时，半导体 满带中少量电子会获得能量而被激发到导带上，这些电子在外电场作用下将参与导电。同时满带中留下的空穴也参与导电。,固体物理理论已证明半导体内的载流子平衡浓度为：,N型（电子型）半导体： 导带内电子运动。 P型（空穴型）半导体： 满带内空穴运动。 载流子： 是电子和空穴的统称。温度高，禁带宽度小，产生的 载流子数目就多；产生得越多，电子与空穴复合的几率也越大。 在一定温度下，产生率和复合率达到相对平衡，半导体中保持一 定数目的载流子。,一、本征半导体和杂质半导体,ni为单位体积中的电子的数目，下标“i”表示本征(Intrinsic)材料。T为材料的绝对温度，EG为能级的禁带宽度。,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,禁带宽度：,一、本征半导体和杂质半导体,半导体中的载流子密度小，随温度变化。,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,一、本征半导体和杂质半导体,2、杂质半导体,在半导体材料中有选择地掺入一些杂质。对于掺杂半导体，除了本征激发产生的电子空穴对以外，还有施主杂质提供的电子和受主杂质提供的空穴， 所以电子和空穴的浓度不相等。 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。,杂质类型：替位型，间隙型。,1) 替位型：III族元素，如B(硼)、Al(铝)、Ga(镓)等； V族元素，如P(磷)、As(砷)、 Sb(锑) 等。,2) 间隙型：Li，可在晶格间运动。,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,3) 施主杂质(Donor impurities)与施主能级,施主杂质为V族元素(如磷,锂)其在半导体中形成的局部能级( )接近禁带顶部(即导带底部)，则 。在室温下，杂质原子的原来处于其局部能级上的电子很易因热运动而进入导带，使导带中的电子数增多，并使该杂质原子自身处于离化状态。这类杂质原子越多，则导带内的电子局部能级越多。这类掺有施主杂质的半导体称为N 型半导体。 常用的五价元素有：P(磷)、As(砷)、Sb(锑)、Li(锂）等。五价元素原子的第5个价电子都激发到导带中参与导电，五价元素原子成为正离子，是不能移动的正电中心。这种半导体的导电主要是电子贡献。,一、本征半导体和杂质半导体,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,4)受主杂质(Acceptor impurities)与受主能级,受主杂质为III族元素，受主杂质在半导体中形成的局部能级一定很接近禁带底部(即满带顶部)， 表示该局部能级与满带顶部的能量差值，则 室温下满带中电子容易跃迁这些能级上；在满带中出现空穴。所以，此时多数载流子为空穴，杂质原子成为负电中心。这类杂质称为“受主杂质”，所产生的局部能级称为“受主能级”。掺有受主杂质的半导体称为P 型半导体。,一、本征半导体和杂质半导体,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,一、本征半导体和杂质半导体,结构缺陷点缺陷：晶格上出现空位或应该空位处出现了原子。线缺陷：晶体受应力作用发生错位（沿平面滑移）。 缺陷团：晶体内点缺陷或线缺陷等复合而成的复杂缺陷。 晶格缺陷也能俘获或放出电子，相当于在晶体禁带中附加受主或施主能级，也起受主或施主作用。,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,Doping with valence 5 atoms,Doping with valence 3 atoms,N-type semiconductor,P-type semiconductor,一、本征半导体和杂质半导体,一、本征半导体和杂质半导体,一、本征半导体和杂质半导体,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,空穴浓度：,电子浓度：,式中，E1为导带底；E2为价带顶。Cn和Cp为与禁带内能级分布无关的常数。,所以：,可见，对半导体材料，在一定温度下，np仅与禁带宽度有关。因此，在相同温度下，本征半导体的相等的两种载流子密度之积与掺杂半导体的两种载流子密度之积相等，即：,1、载流子密度,二半导体作为探测介质的物理性能,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,2、补偿效应,二半导体作为探测介质的物理性能,对N型半导体：n p，可以加入受主杂质，使之成为本征半导体，此时n = p = ni，也称为“准本征半导体”（实现了完全补偿）；进一步加入受主杂质，可变为P型半导体，即p n。,对本征半导体：,对杂质半导体： ， 但仍满足,当 n = p 时，载流子总数 取最小值。,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,3、平均电离能,非平衡载流子： 入射粒子产生的载流子。类似气体 电离，产生一对电子空穴对所需消耗的能量称作平均电离能， w与 Eg 一样与半导体材料和温度有关。,300K，w(Si)=3.62eV w(Ge)=2.80eV。 77K，w(Si)=3.76eV， w(Ge)=2.96eV。,半导体中的平均电离能与入射粒子能量无关。在半导体中消耗能量为E时，产生的载流子数目N为：,二半导体作为探测介质的物理性能,4、载流子的迁移率,当E 103V/cm时：,二半导体作为探测介质的物理性能,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,由于 电子迁移率n 和 空穴迁移率p 相近，与气体探测器不同，不存在电子型或空穴型半导体探测器。,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,电场强度较小时，u与场强成正比； 电场强度较大时，u随场强增加速度变慢。,电子在Si中的漂移速度,二半导体作为探测介质的物理性能,当电场升高时，漂移速度随电场的增加速率变慢；当E 1045V/cm时：达到饱和漂移速度107cm/sec.,空穴在Ge中的漂移速度,电场一定时，低温的漂移速度大。,低温：Es 103V/cm； 室温：Es 104V/cm。,二半导体作为探测介质的物理性能,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,掺杂会大大降低半导体材料的电阻率；对硅来说掺杂对电阻率的影响比锗显著得多； 降低半导体材料温度可以提高电阻率。,5、电阻率： 电阻率与电子、空穴浓度及其迁移率有关，,(Si)=2.3105 ； (Ge) = 50100,通过补偿效应，可以提高电阻率； 完全补偿时，n=p，电阻率最高。,二半导体作为探测介质的物理性能,本征电阻率：,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,二半导体作为探测介质的物理性能,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,6、复合和俘获： 1）导带上的电子直接被满带中空穴俘获； 2）通过晶体中杂质和晶格缺陷在禁带内的中间能级 复合中心和俘获中心进行。,二半导体作为探测介质的物理性能,7、载流子寿命：,载流子从产生到消失(俘获、复合)的平均时间间隔 。非平衡载流子数目N0随时间按指数规律衰减。,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,8、扩散长度或俘获长度： 表示非平衡载流子从产生到消失前平均移动的距离。只有当漂移长度 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Si和Ge 10-3s，决定了Si和Ge为最实用的半导体材料。扩散长度必须大于探测器灵敏区厚度。,二半导体作为探测介质的物理性能,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,半导体探测器材料： 长载流子寿命； 高电阻率(漏电流小，结电容小)。,高的电阻率和长的载流子寿命是组成半导体探测器的关键。,二半导体作为探测介质的物理性能,对半导体探测器材料的基本要求,二半导体作为探测介质的物理性能,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,半导体探测器的基本原理是带电粒子在半导体探测器的灵敏体积内产生电子空穴对，电子空穴对在外电场的作用下漂移而输出信号。,把气体探测器中的电子离子对、闪烁探测器中被 PMT第一打拿极收集的电子 及半导体探测器中的电子空穴对统称为探测器的信息载流子。产生每个信息载流子的平均能量分别为30eV(气体探测器)，300eV(闪烁探测器)和3eV(半导体探测器)。,三半导体探测器基本原理,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,半导体探测器的优点：,(1) 能量分辨率最佳；,(2) 射线探测效率较高，可与闪烁探测器相比。,(3) 线性范围宽,缺点：（1）辐射损伤较灵敏，受强辐射后性能变差（2）常用的锗探测器，需要在低温条件下工作，甚至要求在低温下保存，使用不便。,三半导体探测器基本原理,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,常用半导体探测器有：,(1) P-N结型半导体探测器；,(2) P-I-N型半导体探测器；,(3) 高纯锗半导体探测器；,三半导体探测器基本原理,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,9.2 P-N结型半导体探测器,一工作原理二P-N结型半导体探测器的类型三输出信号四P-N结型半导体探测器的性能与应用,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,1、P-N结(势垒区)的形成,在P型半导体上掺杂，通过补偿效应，转化为N型半导体，形成P-N结。,由于密度的差异，电子和空穴朝着密度小的方向扩散。,扩散的结果形成空间电荷区，建立起自建电场。,在自建电场的作用下， 扩散与漂移达到平衡。形成P-N结区，也叫势垒区、耗尽区。,一工作原理,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,多数载流子扩散，空间电荷形成内电场并形成结区。结区内存在着势垒，结区又称为势垒区。势垒区内为耗尽层，无载流子存在，实现高电阻率，达 ，远高于本征电阻率。,一工作原理,结合前，N区的电子比P区多，P区的空穴比N区多。结合后，电子由N区向P区扩散与空穴复合；空穴由P区向N区扩散与电子复合。扩散的结果形成PN结。在PN结区，电子空穴很少，剩下的杂质正负离子形成空间电荷区，其内电场方向由N区指向P区，阻止电子、空穴继续扩散，并造成少数载流子的反向漂移运动。当扩散运动和反向漂移运动达到平衡时，P区或N区的电子空穴浓度就不再变化。这个由杂质离子组成的空间电荷区，即PN结区，亦称耗尽区，阻挡层，势垒区。,一工作原理,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,扩散到势垒区的少数载流子在电场作用下也会形成反向电流 IS 。,达到平衡时，,一工作原理,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,2 外加电场下的P-N结：,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。,一工作原理,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,在外加反向电压时的反向电流： 少数载流子的扩散电流，结区面积不变，IS 不变； 结区体积加大，热运动产生电子空穴多，IG 增大； 反向电压产生漏电流 IL ，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。,PN结的偏压特性,加反向电压，N区接正， P区接负，外加电场方向与内建电场方向相同，使耗尽层增厚，漂移运动增强。当带电粒子穿过时产生电子空穴对，在高电场下分别向正负电极漂移，产生信号。信号幅度正比于电子空穴对数目，正比于入射粒子损失能量。所以加反向偏压的PN结就是结型半导体探测器的灵敏区。,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,3、势垒区的电场分布,在高电阻率半导体材料表面掺杂形成势垒区。,势垒区中的电场：,空间电荷密度为，,由于空间电荷数相等：,E(x),一工作原理,4、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),一工作原理,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,m,m,结区宽度与外加电压的关系,当x = 0时，P区和N区的电位应相等，即,又因：,所以：,一工作原理,当NDNA时，d1 d2 。则,当NAND时，d2 d1 。则,一般可写成：,Ni为掺杂少的一边的杂质浓度。,结区宽度的限制因素,受材料的击穿电压的限制：,受暗电流的限制，因为：,一工作原理,Si,例如：,W =200m,C =41pF,V =45V,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,5、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：,pF/cm2,pF/cm2,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。,一工作原理,P-N结半导体探测器的基本原理,势垒区灵敏体积,结区外的两部分半导体二个电极,一旦入射粒子在势垒区产生了电子-空穴对，电子与空穴将立刻被电场扫向两边，从而给出信号电流。,一工作原理,为什么半导体PN结可作为灵敏区？1）在PN结区可移动的载流子基本被耗尽，只留下电离了的正负电中心，对电导率无贡献，其具有很高的电阻率。2）PN结加上一定负偏压，耗尽区扩展，可达全耗尽，死层极薄，外加电压几乎全部加到PN结上，形成很高电场。3）漏电流很小，有很好的信噪比。,一工作原理,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,采用扩散工艺高温扩散或离子注入；材料一般选用P型高阻硅，电阻率为1000；把施主杂质(P)扩散到P型Si材料中，形成P-N结。通过控制扩散温度和扩散时间，得到1m以下的薄入射窗。在电极引出时一定要保证为欧姆接触，以防止形成另外的结。 性能稳定，高温使载流子寿命减小，窗损失能量。,二P-N结型半导体探测器的类型,1、 扩散结(Diffused Junction)型探测器,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,2) 金硅面垒(Surface Barrier)探测器,一般用N型高阻硅，在N型Si上蒸薄Au，透过Au层的氧化作用，表面蒸金50100g/cm2 氧化形成P型硅，叫做金硅面垒探测器，Si(Au)。 入射窗薄，噪声小。光敏，耐高温特性不好。工艺成熟、简单、价廉。,二P-N结型半导体探测器的类型,面垒型,金硅面垒探测器优点：窗薄，噪声低，不经高温处理，能量分辨率高，能量线性响应好。工艺简单，成品率高，易于制得大面积探测器。主要用于测量质子、粒子和重离子等带电粒子。,二P-N结型半导体探测器的类型,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,1) 输出回路,须考虑结电阻Rd和结电容Cd，结区外半导体材料的电阻和电容RS，CS。,三、输出信号,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,三、输出信号,2) 输出信号,当 R0(Cd+Ca) tc ( tc为载流子收集时间 )时，为电压脉冲型工作状态：,但是，由于输出电压脉冲幅度h与结电容Cd有关，而结电容 随偏压而变化，因此当所加偏压不稳定时，将会使 h 发生附加的涨落， 不利于能谱的测量；为解决该矛盾，PN结半导体探测器通常不用电压型或电流型前置放大器，而是采用电荷灵敏前置放大器。电荷灵敏放大器的输入电容极大，可以保证 C入 Cd ，而 C入是十分稳定的，从而大大减小了Cd变化的影响。若反馈电容和反馈电阻为Cf和Rf，则输出脉冲幅度为：,输出回路的时间常数为：,2) 输出信号,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,3) 载流子收集时间,由于在边界，电场强度趋于0，定义载流子扫过 x0.99W 的距离的时间为载流子收集时间：,可以获得快的上升时间。,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,主要用于测量重带电粒子的能谱，如,p等，一般要求耗尽层厚度大于入射粒子的射程。,1) 能量分辨率,影响能量分辨率的因素为：,(1) 输出脉冲幅度的统计涨落,式中：F为法诺因子，对Si，F=0.143；对Ge，F=0.129。w为产生一个电子空穴对所需要的平均能量。,四P-N结型半导体探测器的性能与应用,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,能量分辨率可用FWHM表示：,FWHM 或 E 称为半高宽或线宽，单位为：KeV。,以210Po的 E5.304MeV 的粒子为例， 对一种PN结探测器，由于输出脉冲幅度的统计涨落引起的线宽为：,(2) 探测器和电子学噪声,探测器的噪声由P-N结反向电流及表面漏电流的涨落造成； 电子学噪声主要由第一级FET构成，包括：零电容噪声和噪声斜率。,噪声的表示方法：等效噪声电荷ENC，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噪声电荷，以电子电荷为单位；由于噪声叠加在射线产生的信号上，使谱线进一步加宽，参照产生信号的射线的能量，用FWHM表示，其单位就是KeV。例如，ENC200电子对，由噪声引起的线宽为：,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,(3) 窗厚度的影响,式中 为单位窗厚度引起的能量损失。,得到总线宽为：,例如：,则：,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,入射粒子通过探测器灵敏区之前的非耗尽层厚度称为窗厚。,入射带电粒子只有在灵敏区内损失的能量对输出脉冲有贡献，但在进入灵敏区前穿过一定厚度的窗也会损失一部分能量。窗厚可以采用测量单能重带电粒子在两个不同入射角入射时产生的脉冲幅度来确定。当入射角=0时（即垂直入射），在窗内损失能量为E1。入射角=45时，窗内损失能量,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,假设入射带电粒子在窗材料中射程 ：,则两种入射情况下，在灵敏区损失的能量差为,式中E1是用能量损失表示的窗厚。,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,对重带电粒子主要是电离损失，则可由射程公式求出窗厚。金硅面垒探测器的窗厚金层厚度硅基片未耗尽层（亦称死层）厚。 V0适当时可使d死很小。金层厚约（0.010.05）m。所以窗比较薄，仅对低能重带电粒子的能量进行精确测量时才考虑窗厚的修正。,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,（4）空气和窗吸收的影响 入射带电粒子从放射源发出到进入探测器灵敏体积要经过空气层和入射窗并在其中损失一部分能量，造成 输出脉冲幅度减小，谱峰有个低能尾部，从而使分辨率变差。 测能谱时可以把放射源尽可能靠近探测器。且还可以抽真空（把探测器放在真空中）从而可忽略空气的吸收。,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,对金硅面垒探测器，窗主要是金层厚度 d ，入射粒子进入探测器灵敏区的入射角在 0 max ，带电粒子在金层中单位厚度的能量损失为 E，则入射带电粒子穿过金层 d厚度时引起的谱线展宽为,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,2） 分辨时间与时间分辨本领：,3） 能量线性很好，与入射粒子类型和能量基本无关,4） 辐照寿命,辐照寿命是半导体探测器的一个致命的弱点。半导体探测器随着使用时间的增加，造成载流子寿命变短，影响载流子的收集。例如，对5.5MeV的粒子，当达到109cm-2时，分辨率开始变坏，达到1011cm-2时明显变坏。,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,9.3 P-I-N型半导体探测器,一工作原理二输出信号与主要性能三 P-I-N型半导体探测器的应用,为什么要发展P-I-N型探测器？,1MeV的粒子在硅中的射程2mm， 而P-N结型探测器灵敏体积的线度一般不超过1mm。 P-N结型探测器探测和的效率太低。,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,带正电的锂离子与带负电的受主离子结合成中性的正负离子对。,在高电阻率的P型半导体材料表面掺入锂原子，制成P-N结。,一工作原理,由于补偿作用，形成本征区。 构成P-I-N结构。,本征区I 电子空穴密度相等，,N区和P区多数载流子密度远远大于少数载流子密度，,空间电荷建立电场，阻止多数载流子进一步扩散。,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。,锂离子漂移区域不存在空间电荷，为均匀电场分布。,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,1、锂漂移探测器的输出信号 2、能量分辨率 3、线性 4、探测效率 绝对效率，本征效率 总效率， 峰效率 5、峰康比 6、分辨时间,二输出信号与主要性能,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,锂漂移探测器的输出信号,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,探测效率,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,三 P-I-N型半导体探测器的应用,1、使用中的注意事项 2、锂漂移探测器与其它射线谱仪的比较 与碘化钠闪烁谱仪的比较 与正比计数器的比较 与晶体衍射谱仪的比较 3、半导体谱仪在核物理实验中的应用 4、半导体谱仪在工业技术中的应用,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,要求低温条件： 室温下，离子对会离解； 降低反向电流和噪声。,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,9.4 高纯锗HPGe半导体探测器,一工作原理二主要性能与应用,为什么要发展HPGe探测器？,锂漂移探测器需要低温保存与使用。 生产周期(锂漂移时间)长。,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,耗尽层的宽度：,纯化，N1010原子/cm3， 达W10mm，高纯锗(HPGe)探测器。,大体积灵敏区：增加工作电压V，降低杂质密度N。,一工作原理,高纯锗探测器： P-N结型探测器，常温保存，低温使用。,补偿，锂漂移型探测器。,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,灵敏区厚度：510 mm ：E 220 MeV p：Ep 60 MeV ：300 600 keV,工作在全耗尽状态； 液氮温度77K。,形成P+-P-n+结构。,P型区存在电荷，电场强度不均匀。,平面型HPGe探测器,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,同轴型灵敏区体积大， 400cm3。,同轴型HPGe探测器,双端同轴型表面漏电流较大，增加噪声。,单端同轴型电场径向一致性较差，通过磨园、加长内芯电极加以改善。,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,1、能量分辨率： 同轴型测量的分辨率：1.52.0keV1.332MeV； Si(Li)、Ge(Li)测量x ： 160200eV5.95keV。,二高纯锗和锂漂移探测器的主要性能,能量分辨率影响因素：（1）射线产生的电子空穴对数的涨落（2）探测器及电子学仪器的噪声（3）电子空穴对的俘获（4）工作温度,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,2、探测效率： 相对33吋的NaI(Tl)晶体 85cm3的HPGe 测量的探测效率19%。,3、峰康比： 峰顶计数与康普顿坪平均计数之比，2080。,4、电流脉冲宽度：109108 sec.。,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,各种探测器测量分辨率比较,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,NaI(Tl)和Ge(Li)的108Ag和110Ag能谱,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,1) HPGe和Ge(Li)用于组成谱仪：锗具有较高的密度和较高的原子序数(Z=32),探头(晶体前置放大器低温装置)；,三. 应 用,谱放大器(稳定性，抗过载，极零调节，基线恢复等);,谱仪的组成：,多道脉冲幅度分析器(一般大于4000道，现在一般都带有数字稳谱功能)；,计算机(谱解析软件及定量分析软件)。,谱仪的应用：活化分析；X射线荧光分析；核物理研究等。,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,2) Si(Li)探测器,由于Si的Z14，对一般能量的射线，其光电截面仅为锗的1/50，因此，其主要应用为：,低能量的射线和X射线测量， 在可得到较高的光电截面的同时，Si的X射线逃逸将明显低于锗的X射线逃逸；,粒子或其他外部入射的电子的探测，由于其原子序数较低，可减少反散射。,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,9.5 其他半导体探测器,1. 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。,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,CdZnTe detectors,9.5 其他半导体探测器,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,detector based on 15x15x10 mm3 CdZnTe crystal,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,Measured 137Cs spectrum obtained with a 1 cm3 CdZnTe-based detector.,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,16 x 16 pixels CdTe Crystal. 1mm pixel pitch. For use in CT.,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,Direct conversion Polycrystalline Mercuric Iodide (HgI2) coated onto our 10M pixel cmos imaging array device.,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,HgI2晶体,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,砷化镓,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,2. 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20m，工作于全耗尽状态。位置分辨率可达23 m。,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,在空间物理和宇宙线实验中的应用,丁肇中先生领导的AMS组, 计划把磁谱仪AMS(Alpha Magnetic Spectromenter) 送到国际空间站ISSA (International Space Station Alpha), 在宇宙线中寻找反物质和暗物质。AMS 的中间核心部分的多层径迹室都是采用双边读出的硅微条探测器。谱仪的体积不大(直径和高才1m多) , 但这些精密的径迹探测器与谱仪中的永久磁铁、飞行时间计数器、契伦科夫探测器、量能器等紧密配合, 可能会为天体物理和宇宙线科学作出非常卓越的贡献。,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,射线大面积空间望远镜 GLASTGamma-ray Large Area Space Telescope,由美国NASA和能源部支持及法国、意大利、日本、瑞典等参加的GLAST 实验组, 为了研究宇宙中能量在20300 GeV 的射线等, 研制了GLAST，其核心部分使用了多层硅微条探测器, 总面积大于80m2, 共130 多万路读出。主要用来作为 e-+e+ 的对转换过程的径迹测量望远镜。,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,硅微条X光扫描系统及用该系统获得的鼠头颅像,西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan,小 结,半导体探测器有突出的优点：1）非常好的位置分辨率；2）很高的能量分辨率；3）很宽的线性范围； 4）非常快的响应时间。因以上优点，半导体探测器在粒子物理与核物理实验中得到广泛应用，在天体物理、宇宙线科学、核医学数字成像技术等领域的应用也迅速发展。半导体探测器的种类很多，但大多数是基于加反向偏压的PN结。探测器的灵敏区就是结型探测器的势垒区或锂漂移型探测器的补偿区，其中载流子浓度极低，电阻率很高，电场强度很大。灵敏区厚度确定了能探测粒子的最大能量。面垒型探测器的结电容较大，随工作电压和温度变化，故需要使用电荷灵敏放大器。必须小心保存和使用。,