半導(dǎo)體探測器原理和性能以及碲鋅鎘探測器原理

1、半導(dǎo)體探測器原理和性能以及碲鋅鎘探測器原理2.1基本半導(dǎo)體探測器原理2.1.1 基本半導(dǎo)體探測器原理如圖2.1.11所示，半導(dǎo)體探測器有兩個電極，并且在兩個電極上加有偏壓。當入射粒子進入半導(dǎo)體探測器的靈敏區(qū)時，粒子與晶體發(fā)生相互作用產(chǎn)生電子空穴對。在外電壓的的驅(qū)動下，電子空穴對分別向兩級做漂移運動，從而在收集電極上產(chǎn)生感應(yīng)電荷。產(chǎn)生的感應(yīng)電荷將在外電路上產(chǎn)生脈沖信號5。圖2.1.1-1半導(dǎo)體探測器的工作原理圖2.1.2 基本半導(dǎo)體探測器性能半導(dǎo)體探測器的主要優(yōu)點5：（1）具有很高的能量分辨率。電離輻射在半導(dǎo)體介質(zhì)中產(chǎn)生一對電子-空穴對平均所需能量大約為在氣體中產(chǎn)生一對離子所需要能量的十分之一，

2、即：同樣能量的帶電粒子在半導(dǎo)體中產(chǎn)生的離子對數(shù)要比在空氣中產(chǎn)生的大約多一個數(shù)量級，因此電荷數(shù)的相對統(tǒng)計漲落也就小很多，所以半導(dǎo)體探測器的能量分辨率很高。（2）具有極高的空間分辨率和快時間響應(yīng)特性。由于半導(dǎo)體晶體密度遠大于空氣的密度，所以粒子在半導(dǎo)體中產(chǎn)生的電離密度大約是在一個大氣壓的氣體中產(chǎn)生的1000倍，因此當測量具有較高能量的電子或Y射線時氣體探測器的尺寸要比半導(dǎo)體探測器的尺寸大很多，因而半導(dǎo)體探測器具有高空間分辨率和快時間響應(yīng)的特性。（3）測量電離輻射的能量時，線性范圍很寬。半導(dǎo)體探測器的主要缺點：（1）半導(dǎo)體材料在受到強輻照后性能就會變差。因此半導(dǎo)體探測器對輻射損傷較靈敏。（2）有些半

3、導(dǎo)體探測器對工作環(huán)境的條件要求比較苛刻，需要在低溫條件下工作，甚至需要在低溫下保存，使用很不方便。2.2伽馬射線與半導(dǎo)體探測器的相互作用2.2.1光電效應(yīng)光電效應(yīng)6是具有一定波長的伽馬光子將自身的能量全部轉(zhuǎn)移給靶物質(zhì)中原子的束縛電子，導(dǎo)致束縛電子發(fā)射出去變?yōu)樽杂呻娮?，而伽馬光子自身消失的過程，如圖2.2.11所示。而發(fā)射出去的電子稱為光電子。伽馬光子被吸收的能量并不是全部轉(zhuǎn)化為了光電子的動能，其中有一部分能量轉(zhuǎn)化為了電子脫離原子束縛所需要的電離能。發(fā)生光電效應(yīng)的概率與靶物質(zhì)的原子序數(shù)以及束縛電子所在的殼層有關(guān)。實驗表明光電子的方向時隨機的。E對線光電子原子圖2.2.1-1光電效應(yīng)過程示意圖2.

4、2.2 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)又稱康普頓散射7，它是由于伽馬光子與靶物質(zhì)原子的核外電子發(fā)生了非彈性碰撞，伽馬光子將自身的能量一部分轉(zhuǎn)移給了靶原子的核外電子，使電子反沖出靶物質(zhì)，該電子稱為反沖電子，而光子的能量和運動方向都發(fā)生了一定的改變，該光子稱為散射光子，原來的伽馬光子稱為入射光子。見圖2.2.21為康普頓效應(yīng)示意圖?？灯疹D效應(yīng)與光電效應(yīng)很類似但卻完全不同。光子發(fā)生康普頓效應(yīng)時只是損失了一部分能量，而發(fā)生光電效應(yīng)時光子的能量全部轉(zhuǎn)移給了束縛電子，自身消失。發(fā)生光電效應(yīng)產(chǎn)生的光電子的運動方向時隨機的，而康普頓散射具有一定的角分布。E反射電子入射光子<1&嵌射角圖2.2.2-1康普頓

5、效應(yīng)過程示意圖2.2.3 電子對效應(yīng)電子對效應(yīng)是伽馬光子的能量超過1.02MeV時，入射的伽馬光子將在靶物質(zhì)中原子核的庫侖場作用下轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢▌幽艿恼?負電子對。見圖2.2.3-1e+11vI皿原f核電子對圖2.2.3-1電子對效應(yīng)過程示意圖實驗表明上述三種效應(yīng)對于靶物質(zhì)的原子序數(shù)和入射的伽馬光子的能量具有一定的依賴關(guān)系5見圖2.2-1。不同的情況下發(fā)生三種效應(yīng)的概率時不同的，具體情況如下：1、對于能量比較低的伽馬射線和靶物質(zhì)的原子序數(shù)比較高的情況來說，光電效應(yīng)相對有明顯優(yōu)勢。2、對于能量適中的伽馬射線和靶物質(zhì)的原子序數(shù)較低的情況來說，康普頓效應(yīng)占相對優(yōu)勢。3、對于能量比較高的伽馬射線和靶物

6、質(zhì)的原子序數(shù)也較高的情況，電子對效應(yīng)占有絕對優(yōu)勢。圖2.2-1射線與物質(zhì)相互作用的主要三種方式2.3碲鋅鎘探測器2.3.1碲鋅鎘晶體碲鋅鎘晶體材料原子序數(shù)比較大（Cd=52、Zn=30、Te=48）,密度為5.85g/cm3能夠使晶體和X射線和伽馬射線更好地發(fā)生反應(yīng)，因此它的探測效率更高。禁帶寬度大于1.5eV并且在一定范圍內(nèi)碲鋅鎘晶體的禁帶寬度隨材料中鋅的含量增加而增加，這樣可以減小漏電流。常溫下碲鋅鎘材料電阻率約為100GQ，其電阻率較高，可以有效減小背景噪聲同時提高工作效率刃。碲鋅鎘晶體與金剛石類似屬于立方晶系，但是碲鋅鎘晶體由兩類完全不同的原子構(gòu)成。如圖2.2.1-1所示為碲鋅鎘晶體晶

7、格結(jié)構(gòu)示意圖。CdZuO=e圖2.2.1T碲鋅鎘晶體晶格結(jié)構(gòu)示意圖2.3.2碲鋅鎘半導(dǎo)體探測器工作原理碲鋅鎘半導(dǎo)體探測器的工作原理a顧名思義和半導(dǎo)體的工作原理相同。碲鋅鎘晶體的陽極為陣列型像素陽極，陰極為平面型陰極，入射的粒子從晶體的陰極射入晶體中，并將自身的部分能量或者全部能量轉(zhuǎn)化為電子-空穴對，在外加偏壓的作用之下電子-空穴對分別向晶體的兩級遷移，產(chǎn)生的感應(yīng)電荷被陽極像素收集起來，再經(jīng)前端電子學(xué)電路的一系列處理就能夠成像。見圖2.2.2-1為碲鋅鎘半導(dǎo)體探測器工作原理圖。屯荷靈敏栽冒放大器筆道脈沖4渡分析器數(shù)卅採集和處|!陰極圖2.2.2-1碲鋅鎘半導(dǎo)體探測器工作原理圖2.3.3 碲鋅鎘半

8、導(dǎo)體探測器的優(yōu)越特性碲鋅鎘半導(dǎo)體探測器在核輻射探測方面具有很高的優(yōu)越特性11，因此近年來廣受相關(guān)業(yè)界人士的親睞。具體優(yōu)越特性如下：碲鋅鎘晶體的相對原子序數(shù)大約為50并且密度為5.8g/cm3因此碲鋅鎘探測器對低能的伽馬射線具有良好的吸收效率和較高的靈敏度。碲鋅鎘晶體的陽極像素可以做得很小，因此具有較高的空間分辨率。在室溫下碲鋅鎘晶體也具有較寬的禁帶寬度，因此碲鋅鎘探測器可以在常溫下良好運行工作該特點明顯優(yōu)越于高純鍺半導(dǎo)體探測器碲鋅鎘晶體的電阻率較高約為100GQ因此可以有效減小背景噪聲同時提高工作效率碲鋅鎘半導(dǎo)體探測器對光子更敏感，其產(chǎn)生的感應(yīng)電流遠遠大于閃爍體探測器，因此碲鋅鎘半導(dǎo)體探測器可

9、以在脈沖模式和電流模式下工作2.3.4碲鋅鎘半導(dǎo)體探測器的分類當今國際上按照碲鋅鎘探測器的結(jié)構(gòu)分為金屬半導(dǎo)體金屬探測器、共面柵探測器和像素陣列探測器12。最簡單的平板碲鋅鎘探測器就是金屬半導(dǎo)體金屬(MSM)探測器了，目前工業(yè)上制作的穩(wěn)定性較好的碲鋅鎘半導(dǎo)體探測器就是MSM探測器，其金屬層一般用Au，In和Pt等金屬。但是現(xiàn)在還無法用于射線光譜探測，原因是由于低能能量尾跡沒有很好的解決方案。共面柵探測器。碲鋅鎘半導(dǎo)體探測器的空穴收集特性相對較差從而導(dǎo)致能量分辨率和電荷收集率較差。為了解決這一問題科研人員通常采用電學(xué)方法和設(shè)計各種探測器結(jié)構(gòu)來提高探測器的能量分辨率和電荷收集效率。而通過改變探測器的電極形狀來提高能量分辨率的各種方法有一個共同的特點，那就是收集到的電荷依賴于陽極附近電子的運動，從而導(dǎo)致收集到的感應(yīng)電荷與電子空穴對產(chǎn)生的深度和空穴運動無關(guān)，這些器件被人們稱為單極性器件。1994年由LukePN提出的共同柵技術(shù)獲得了良好的能量分辨率以及接近全體積的光峰效率，具有良好的發(fā)展前景像素陣列探測器，碲鋅鎘陣列探測器常常被用于成像系統(tǒng)中，其具