第五講半導(dǎo)體探測器

1、第五講半導(dǎo)體探測器2一能帶論常用半導(dǎo)體材料：Si、Ge (IV族元素)除此還有：GaAs、CdTe、 HgI、CdZnTe、CdSe 砷化鎵 碲化鎘 碘化汞 碲鋅鎘 硒化鎘電阻率：導(dǎo)體10-5cm一下；絕緣體10-14cm以上；半導(dǎo)體10-2cm 109cm。半導(dǎo)體一般以晶體形式存在。晶體分為單晶和多晶。作為探測器的半導(dǎo)體以及閃爍體大多數(shù)都是單晶材料。3固體的導(dǎo)電性能可以用能帶論解釋。絕緣體室溫下，Si的Eg為，Ge的Eg為0.67eV.導(dǎo)體導(dǎo)帶滿帶禁帶Eg 510eV2eVEg41、本征半導(dǎo)體理想的、純凈的半導(dǎo)體。半導(dǎo)體中由于熱運(yùn)動產(chǎn)生的電子和空穴濃度： kTEpng2exp1019禁帶寬度

2、：eV12. 1K)300Si(gEeV67. 0K)300Ge(gE室溫下的本征硅，310cm/102 pn 本征鍺，313cm/104 . 2 pn半導(dǎo)體中的載流子密度大小，隨溫度變化。溫度高，Eg小，載流子濃度高。（K為波爾茨曼常量）52、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)。 雜質(zhì)原子在半導(dǎo)體禁帶中產(chǎn)生局部能級，影響半導(dǎo)體的性質(zhì)。3、施主雜質(zhì)和施主能級 V族元素，如P、As（砷）、Sb（銻）、Li（鋰） 能級接近導(dǎo)帶底端能量； 室溫下熱運(yùn)動使雜質(zhì)原子離化； 離化產(chǎn)生的電子進(jìn)入導(dǎo)帶。摻有施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體中多數(shù)載流子是電子，叫做N型半導(dǎo)體。施主能級施主能級靠近導(dǎo)帶底部，對于鍺僅為

3、；對于硅，P、As為，銻為，Li為0.03eV. 64、受主雜質(zhì)和受主能級 III族元素，如B、Al、Ga（鎵）、In（銦）。 能級接近滿帶頂端能量； 室溫下滿帶中電子容易躍遷這些能級上； 在滿帶中出現(xiàn)空穴。摻有受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體中多數(shù)載流子是空穴，叫做P型半導(dǎo)體。受主能級受主能級靠近價帶頂部，對于鍺僅為；對于硅，硼為，鋁為，鎵為0.07eV. 71、載流子密度 半導(dǎo)體中電子和空穴的密度乘積為，kTECpnGexp 因此，本征半導(dǎo)體的載流子密度ni、pi和雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子密度n、p滿足，22iipnpn2、補(bǔ)償效應(yīng) N型半導(dǎo)體，施主雜質(zhì)幾乎全部電離，n p 。83、平均電離能 入射粒子在半導(dǎo)體

4、介質(zhì)中平均產(chǎn)生一對電子空穴需要的能量。 半導(dǎo)體中的平均電離能與入射粒子能量無關(guān)。 300K，w 77K，w， w。 如果在N型半導(dǎo)體中加入受主雜質(zhì)，pnpn不變 當(dāng)p n，N型半導(dǎo)體轉(zhuǎn)化為P型半導(dǎo)體。 叫做補(bǔ)償效應(yīng)。 當(dāng)p = n，完全補(bǔ)償。9當(dāng)電場升高時，漂移速度隨電場的增加速率變慢；當(dāng)E 1045V/cm時：達(dá)到飽和漂移速度107cm/sec.4、載流子的遷移率 300K，(Si) 77K，(Si)secVcm102 . 123nsecVcm101 . 224n遷移率隨溫度下降而上升， 300K，(Ge) secVcm109 . 323nsecVcm109 . 123p電子遷移率與空穴遷移

5、率相差倍數(shù)，EwnnEwpp當(dāng)E 103V/cm時：10空穴在Ge中的漂移速度 電場一定時，低溫的漂移速度大。 低溫：Es 103V/cm； 室溫：Es 104V/cm。 電場強(qiáng)度較小時，u與場強(qiáng)成正比； 電場強(qiáng)度較大時，u隨場強(qiáng)增加速度變慢。電子在Si中的漂移速度11 摻雜會大大降低半導(dǎo)體材料的電阻率； 降低半導(dǎo)體材料溫度可以提高電阻率。5、電阻率)(1pnpne 電阻率與電子、空穴濃度及其遷移率有關(guān)，cm (Si)=2.3105 ； (Ge) = 50100cm 通過補(bǔ)償效應(yīng)，可以提高電阻率； 完全補(bǔ)償時，n=p，電阻率最高。12 半導(dǎo)體探測器需要載流子的漂移長度大于靈敏體積的長度。6、載

6、流子壽命載流子從產(chǎn)生到消失(俘獲、復(fù)合)的平均時間間隔 。EL 載流子的漂移長度： 高純度的半導(dǎo)體Si和Ge ： 103sec.半導(dǎo)體探測器材料： 長載流子壽命； 高電阻率(漏電流小，結(jié)電容小)。13一工作原理二P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測器的類型三輸出信號四P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測器的性能與應(yīng)用為什么要用P-N結(jié)？25cm1cm1 . 010V100SlVIA01. 0141、P-N結(jié)(勢壘區(qū))的形成 在P型半導(dǎo)體上摻雜，通過補(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。EPN 在自建電場的作用下， 擴(kuò)散與漂移達(dá)到

7、平衡。形成P-N結(jié)區(qū)，也叫勢壘區(qū)、耗盡區(qū)。15 少數(shù)能量較高的電子空穴會穿過勢壘區(qū)擴(kuò)散到對方區(qū)域，形成正向電流 If 。fIeWgIG 由于熱運(yùn)動在勢壘區(qū)產(chǎn)生電子空穴，在自建電場作用下形成反向電流 IG ，GISI , 擴(kuò)散到勢壘區(qū)的少數(shù)載流子在電場作用下也會形成反向電流 IS 。 達(dá)到平衡時，SGfIIIEPN162、外加電場下的P-N結(jié)在外加反向電壓時的反向電流： 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)電阻率很高，電位差幾乎都降在結(jié)區(qū)。E 反向電壓形

8、成的電場與自建電場方向一致。 外加電場使結(jié)區(qū)寬度增大。反向電壓越高，結(jié)區(qū)越寬。PN173、勢壘區(qū)的電場分布 在高電阻率半導(dǎo)體材料表面摻雜形成勢壘區(qū)。勢壘區(qū)中的電場：)(4)()(xWeNdxxdVxEd 空間電荷密度為，deNx )(aeNx)(10dx 02xddaNdNd12 由于空間電荷數(shù)相等：E(x)184、勢壘區(qū)的寬度可以得到勢壘高度：202WeNVd所以，勢壘區(qū)的寬度：2102deNVW 對電場積分，可以得到勢壘分布：22)(2xWWeNVdE(x)195、結(jié)區(qū)電容 根據(jù)結(jié)區(qū)電荷隨外加電壓的變化率，可以計算得到單位面積的結(jié)區(qū)電容：212214VeNWCdd 結(jié)區(qū)電容隨外加電壓變化而

9、變化，外加電壓的不穩(wěn)定可以影響探測器輸出電壓幅度的不穩(wěn)定。21)(5 . 0VW:SiN型m21)(3 . 0VW:SiP型m214)(108 . 1VCd:SiN型pF/cm2:SiP型214)(103VCdpF/cm220Si例如：mm10),Au(Sicm3600的質(zhì)子。測量 MeV5問： 反向工作電壓？ 結(jié)區(qū)厚度？ 結(jié)區(qū)電容？ W =200m C =51pF V =45V確定耗盡層厚度及電容與電阻率和反向偏壓的函數(shù)關(guān)系的列線圖21擴(kuò)散結(jié)型探測器面壘型探測器 在N型Si上蒸薄Au，透過Au層的氧化作用，形成P型氧化層。叫做金硅面壘探測器，Si(Au)。 入射窗薄，噪聲小，分辨率高。易于做

10、成大面積均勻探測器，或做成很薄的dE/dX探測器。光敏，耐高溫特性不好。 把施主雜質(zhì)(P)擴(kuò)散到P型Si材料中，形成P-N結(jié)。 用高溫擴(kuò)散和離子注入的方法，通過控制擴(kuò)散溫度和擴(kuò)散時間，得到1m以下的薄入射窗。 性能穩(wěn)定，高溫使載流子壽命減小，窗損失能量。1、PN結(jié)型半導(dǎo)體探測器22離子注入型 利用離子注入?yún)㈦s法形成P-N結(jié)。加速器產(chǎn)生具有一定能量的正離子直接穿透半導(dǎo)體表面形成PN結(jié)，通常是用硼離子轟擊N型硅，或者磷離子轟擊P型硅。優(yōu)點(diǎn)：對環(huán)境和真空很穩(wěn)定；入射窗極薄。缺點(diǎn)：由于入射離子產(chǎn)生的強(qiáng)輻射損傷，形成大量的復(fù)合俘獲中心，使得能量分辨率不如面壘型的好。231、輸出回路PN)(tICR)(t

11、VSRSCiCiRCaRdCdR)(tIDiCiRaRCiadRRRR/idCCCC242、輸出電流脈沖與電荷收集時間 探測器中電子的漂移速度，)(4xWeNEdtdrdnn從電子產(chǎn)生位置x0到x積分，可以得到電子漂移時間，xWxWtn0ln4馳豫時間：eNdn1 電子感應(yīng)電流，txWWeNtIdn8exp)(8)(20225 認(rèn)為電子漂移到處就把電子電荷全部收集，則電子的收集時間為，WxWtcn01. 0ln40通常，電子和空穴的最大收集時間為，.sec109cnt.sec108cpt 空穴漂移引起的感應(yīng)電流：txWWeNtInpnpdp8exp)(8)(20246 . 400 x最大收集時

12、間263、輸出電壓幅度 當(dāng)RCtcn時，探測器輸出電壓脈沖幅度為，CNeVmax這時，輸出電壓脈沖前沿由電流脈沖形狀決定， 后沿以輸出回路時間常數(shù)RC指數(shù)規(guī)律下降。idCCCC 輸出回路等效電容，而探測器結(jié)區(qū)電容Cd隨反向工作電壓變化，21VCd27采用電荷靈敏前置放大器。這時前置放大器的輸出脈沖幅度為，ffdCNeACACCNeV)1 (max 電荷靈敏前置放大器等效輸入電阻：ARARRARRRffifii1)1 ()1 (fC)(tvo)(tvifRidCCCCfdCACC)1 (探測器輸出回路等效電容：28等效輸出回路RC ：ffffRCARCARC1)1 (輸出回路等效電阻：/iadR

13、RRR ARf1電荷靈敏前置放大器輸出脈沖后沿按照Rf Cf指數(shù)下降:910fRF1012fCsec.103ffCR291、能量分辨率(1) 輸出脈沖幅度譜的統(tǒng)計漲落 探測器的能量分辨率為，EwFNN355. 2355. 2wEFNFN2 入射粒子產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)服從法諾分布，NFwEE355. 2FWHM1130(2) 探測器和電子學(xué)的噪聲 反向電流的漲落構(gòu)成探測器的噪聲信號。ENC355. 2FWHM22wEP-N結(jié)的反向電流： 少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流IS ； 結(jié)區(qū)中熱運(yùn)動產(chǎn)生電子空穴的反向電流IG ； 反向電壓產(chǎn)生漏電流 IL ，主要是表面漏電流。電子學(xué)噪聲主要是前置放大器中第一級的噪聲

14、。 等效噪聲電荷ENC：放大器輸出端噪聲電壓均方根值等效到輸入端的電荷數(shù)。NFwE355. 2FWHM11比較：31電荷靈敏前置放大器的噪聲參數(shù)： 零電容噪聲(keV)；噪聲斜率(keV/pF)。例如：一電荷靈敏前置放大器，零電容噪聲1keV， 噪聲斜率。 與反向電流有關(guān)的噪聲隨偏壓V增加； 探測器結(jié)電容隨偏壓V增加而減??； 總噪聲電壓隨偏壓V有極小值。keV403. 010012E 若探測器電容100pF，則總的噪聲對譜線的展寬為：32(3) 窗厚對能量分辨率的影響2、分辨時間3、輻照壽命4、P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測器的應(yīng)用 不同角度入射的帶電粒子穿過探測器的窗厚度不同，在窗中損失的能量不同，造

15、成能譜展寬，)(FWHM033ddE 各種因素對系統(tǒng)能量分辨率的影響，232221EEEE33一工作原理二輸出信號與主要性能三 P-I-N型半導(dǎo)體探測器的應(yīng)用為什么要發(fā)展P-I-N型探測器？ 1MeV的粒子在硅中的射程2mm，而P-N結(jié)型探測器靈敏體積的線度一般不超過。 P-N結(jié)型探測器探測和的效率太低。34 帶正電的鋰離子與帶負(fù)電的受主離子結(jié)合成中性的正負(fù)離子對。由于補(bǔ)償作用，形成本征區(qū)。構(gòu)成P-I-N結(jié)構(gòu)。PNE 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)。Li在Si和Ge中有較高的遷移率和電離能（在Si中，Ge中0.01eV)，所以在室溫下全部電離。Li離子的半徑很小（），所

16、以很容易以較大的速度穿過晶格（、）深入進(jìn)去。 在高溫下，外加反向電場，使鋰離子沿電場方向擴(kuò)散。I 35E 本征區(qū)I 電子空穴密度相等，IIpn PNI 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，NNpnPPpn 存在不等式：PINnnnPINppp 多數(shù)載流子擴(kuò)散，出現(xiàn)空間電荷。 I區(qū)是耗盡區(qū)，電阻率很大，叫做本征區(qū)。 空間電荷建立電場，阻止多數(shù)載流子進(jìn)一步擴(kuò)散。36ExdV /d0 鋰離子在外加電場作用下向右漂移。 NLi較大處會引起電場變化，加速多余的鋰離子向右漂移。abALiNN 鋰離子漂移區(qū)域不存在空間電荷，為均勻電場分布。37 1、鋰漂移探測器的輸出信號 2、能量分辨率 3、線

17、性 4、探測效率 絕對效率，本征效率 總效率， 峰效率 5、峰康比 6、分辨時間38鋰漂移探測器的輸出信號ut39探測效率絕對總效率Nnst放射源發(fā)出的粒子數(shù)數(shù)探測器記錄到的全譜計絕對峰效率Nnpsp放射源發(fā)出的粒子數(shù)計數(shù)探測器記錄到的全能峰本征總效率DintNn進(jìn)入探測器的粒子數(shù)數(shù)探測器記錄到的全譜計本征峰效率DpinpNn進(jìn)入探測器的粒子數(shù)計數(shù)探測器記錄到的全能峰40全譜面積全能峰面積峰總比 康普頓坪平均高度全能峰高度峰康比 41三 P-I-N型半導(dǎo)體探測器的應(yīng)用 1、使用中的注意事項 2、鋰漂移探測器與其它射線譜儀的比較 與碘化鈉閃爍譜儀的比較 與正比計數(shù)器的比較 與晶體衍射譜儀的比較

18、3、半導(dǎo)體譜儀在核物理實驗中的應(yīng)用 4、半導(dǎo)體譜儀在工業(yè)技術(shù)中的應(yīng)用42要求低溫條件： 室溫下，離子對會離解； 降低反向電流和噪聲。43一工作原理二主要性能與應(yīng)用為什么要發(fā)展HPGe探測器？ 鋰漂移探測器需要低溫保存與使用。 生產(chǎn)周期(鋰漂移時間)長。44耗盡層的寬度：212eNVW 純化，N1010原子/cm3， 達(dá)W10mm，高純鍺(HPGe)探測器。大體積靈敏區(qū)：增加工作電壓V，降低雜質(zhì)密度N。高純鍺探測器： P-N結(jié)型探測器，常溫保存，低溫使用。 補(bǔ)償，鋰漂移型探測器。45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，電場強(qiáng)