第十章--半导体探测器.ppt

由于一般半导体材料的杂质浓度和外加高压的限制，耗尽层厚度为1～2mm。 对强穿透能力的辐射而言，探测效率受很大的局限。 P-N结半导体探测器存在的矛盾： 10.3 锂漂移半导体探测器 1. 锂的漂移特性及P-I-N结 1) 间隙型杂质——Li Li为施主杂质，电离能很小 ～0.033eV Li＋漂移速度 当温度T 增大时，?(T)增大，Li+漂移速度增大。 2) 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 区。 (3) 形成P-I-N结，未漂移补偿区仍为P，引出电极。 P N+ Intrinsic Semi Front metallization Ohmic back contact To positive bias 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。 2. 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 I区为完全补偿区，呈电中性为均匀电场； I区为耗尽层，电阻率可达1010?cm； I区厚度可达10～20mm，为灵敏体积。 杂质浓度 电荷分布 电位 电场 2) 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都置于真空低温的容器内，工作于液氮温度(77K)。 对Ge(Li)探测器，由于锂在锗中的迁移率较高，须保持在低温下，以防止Li+Ga-离子对 离解，使Li+沉积而破坏原来的补偿； 对Si(Li)探测器，由于锂在硅中的迁移率较低，在常温下保存而无永久性的损伤。 3) 由于PIN探测器能量分辨率的大大提高，开创了?谱学的新阶段。 Li漂移探测器的问题：低温下保存代价很高；漂移的生产周期很长，约30～60天。 10.4 高纯锗(HPGe)半导体探测器 由耗尽层厚度的公式： 降低杂质的浓度Ni可提高耗尽层的厚度。 高纯锗半导体探测器是由极高纯度的Ge单晶制成的 P-N结 半导体探测器。杂质浓度为~1010原子/cm3。 一般半导体材料杂质浓度为~1015原子/cm3。 1. 高纯锗探测器的工作原理 1) P-N结的构成 采用高纯度的 P型Ge单晶，一端表面通过蒸发扩散或加速器离子注入施主杂质(如磷或锂)形成 N区 和 N+，并形成P-N结。另一端蒸金属形成 P+，并作为入射窗。两端引出电极。 因为杂质浓度极低，相应的电阻率很高。空间电荷密度很小，P区的耗尽层厚度大。 2) 空间电荷分布、电场分布及电位分布 电荷分布 电位 电场 2. 高纯锗探测器的特点 1) P区存在空间电荷，HPGe半导体探测器是PN结型探测器。 2) P区为非均匀电场。 3) P区为灵敏体积，其厚度与外加电压有关，一般工作于全耗尽状态。 4) HPGe半导体探测器可在常温下保存，低温下工作。 10.5 锂漂移和HPGe半导体探测器的性能与应用 1. 结构 平面型：体积较小，厚度一般小于2.0cm，常用于低能?或X射线的探测。 同轴型：体积较大，用于?射线的探测。 对两种不同的结构形式，由于空间电荷的作用，灵敏体积内的电场分布是不同的。 2. 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，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子的位置有关，是变前沿的输出电压脉冲。 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形状可以定量描述。 对平面型探测器: 对同轴型探测器: 3. 性能 其中： Si(Li)和Ge(Li)平面型探测器用于低能?(X)射线的探测，其能量分辨率常以55Fe的衰变产物55Mn的KX能量5.95KeV为标准，一般指标约： 1) 能量分辨率： 为载流子数的涨落。 为漏电流和噪声； 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。 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： 2) 探测效率 一般以?3英寸×3英寸的NaI(Tl)晶体为100％，用相对效率来表示。 以85cm3的HPGe为例，探测效率为19％。 3) 峰康比 P = 全能峰峰值/康普顿平台的峰值 与FWHM以及体积有关，可达600～800 4) 能量线性：非常好 5) 时间特性：电流脉冲宽度可达10-9~10-