核輻射測(cè)量原理(6)課件

1、第六章 半導(dǎo)體探測(cè)器Semiconductor Detector1 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)。 我們把氣體探測(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(chēng)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)。2半導(dǎo)體探測(cè)器的特點(diǎn)：(1) 能量分辨率最佳；(2) 射線(xiàn)探測(cè)效率較高，可與閃爍探測(cè)器相比。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) 鋰漂移型半導(dǎo)體探測(cè)器；(3)

2、 高純鍺半導(dǎo)體探測(cè)器；36.1 半導(dǎo)體的基本性質(zhì)6.1.1、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(chēng)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。 常用半導(dǎo)體材料為硅(Si)和鍺(Ge)，均為IV族元素.理想、無(wú)雜質(zhì)的半導(dǎo)體. 固體物理理論已證明半導(dǎo)體內(nèi)的載流子平衡濃度為： ni和pi為單位體積中的電子和空穴的數(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。42) 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)類(lèi)型：間隙型，替位型。(2) 替位型：III族元素，如B，Al，Ga等； V族元素，如P，As，Sb等；(1) 間隙型：Li，

3、可在晶格間運(yùn)動(dòng)。53) 施主雜質(zhì)(Donor impurities)與施主能級(jí) 施主雜質(zhì)為V族元素，其電離電位ED很低，施主雜質(zhì)的能級(jí)很接近禁帶頂部(即導(dǎo)帶底部)。在室溫下，這些雜質(zhì)原子幾乎全部電離。由于雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的電子濃度，多數(shù)載流子為電子，雜質(zhì)原子成為正電中心。摻有施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱(chēng)為N 型半導(dǎo)體。電子濃度：施主雜質(zhì)濃度 電離時(shí)能夠施放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心的雜質(zhì)；64)受主雜質(zhì)(Acceptor impurities)與受主能級(jí) 受主雜質(zhì)為III族元素，其電離電位EA很低，受主雜質(zhì)的能級(jí)一定很接近禁帶底部(即價(jià)帶頂部)，室溫下價(jià)帶中電子容易躍遷到這些能級(jí)上，

4、在價(jià)帶中出現(xiàn)空穴。所以，此時(shí)多數(shù)載流子為空穴，雜質(zhì)原子成為負(fù)電中心。摻有受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱(chēng)為P 型半導(dǎo)體。空穴濃度：受主雜質(zhì)濃度 能夠接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴并形成負(fù)電中心的雜質(zhì)；7Doping with valence 5 atomsDoping with valence 3 atomsN-type semiconductorP-type semiconductor86.2 P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器6.2.1、P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器的工作原理1) P-N結(jié)區(qū)(勢(shì)壘區(qū))的形成 (1) 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)。結(jié)區(qū)內(nèi)存在著勢(shì)壘，結(jié)區(qū)又稱(chēng)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)

5、高電阻率，達(dá) ，遠(yuǎn)高于本征電阻率。9(2) P-N結(jié)的漏電流 If 能量較高的多子穿透內(nèi)電場(chǎng)，方向?yàn)槟鎯?nèi)電場(chǎng)方向；IG 在結(jié)區(qū)內(nèi)由于熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)； IS 少子擴(kuò)散到結(jié)區(qū)。 IG，IS的方向?yàn)轫槂?nèi)電場(chǎng)方向。IfIG , IS平衡狀態(tài)時(shí)：10(3) 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。IfIG , IS-+11 即:在使結(jié)區(qū)變寬的同時(shí)，IG 增加, IS不變，If減小，并出現(xiàn)IL，此時(shí)表現(xiàn)的宏觀(guān)電流稱(chēng)為暗電流。在外加反向電壓時(shí)的反向電流： 少子的擴(kuò)

6、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。IfIG , IS-+122) P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器的特點(diǎn) (1) 結(jié)區(qū)的空間電荷分布，電場(chǎng)分布及電位分布P-N結(jié)內(nèi)N區(qū)和P區(qū)的電荷密度分別為： 式中ND和NA分別代表施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)濃度；a,b則代表空間電荷的厚度。一般a,b不一定相等，取決于兩邊的雜質(zhì)濃度，耗盡狀態(tài)下結(jié)區(qū)總電荷為零，即ND aNA b。n-typep-type- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+ +

7、+ + + + + + + + + + +13電場(chǎng)為非均勻電場(chǎng)：電位分布可由電場(chǎng)積分得到：14(2) 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：則勢(shì)壘高度V0:15耗盡區(qū)的總寬度：當(dāng)NDNA時(shí)，ba。則當(dāng)NAND時(shí)，ab。則一般可寫(xiě)成：Ni為摻雜少的一邊的雜質(zhì)濃度。16(3) 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?7(4) 結(jié)電容隨工作電壓的變化 以N型硅為基體的情況為例，設(shè)結(jié)區(qū)截面為S，寬度為a，則結(jié)區(qū)內(nèi)一種符號(hào)的空間電荷為：即：18 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。即：196.

8、2.2、P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器的類(lèi)型1) 金硅面壘(Surface Barrier)探測(cè)器 一般用N型高阻硅作基片，表面蒸金50100g/cm2 (10m左右）氧化形成P型硅，而形成P-N結(jié)。工藝成熟、簡(jiǎn)單、價(jià)廉。 對(duì)光靈敏，探測(cè)帶電粒子時(shí)探測(cè)器必須在真空密封條件下；窗薄，不能用手摸鍍金面。202) 擴(kuò)散結(jié)(Diffused Junction)型探測(cè)器采用擴(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；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)。 室溫下測(cè)射線(xiàn)和X射線(xiàn)。216.2.4、主要性能 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

9、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)=0.143；對(duì)Ge，F(xiàn)=0.129。w為產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)所需要的平均能量。22能量分辨率可用FWHM表示： FWHM 或 E 稱(chēng)為半高寬或線(xiàn)寬，單位為：KeV。以210Po的 E5.305MeV 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(xiàn)寬為：23(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，即放大器輸出端的噪聲的均方根值等效于放大器輸入

10、端的噪聲電荷，以電子電荷為單位；由于噪聲疊加在射線(xiàn)產(chǎn)生的信號(hào)上，使譜線(xiàn)進(jìn)一步加寬，參照產(chǎn)生信號(hào)的射線(xiàn)的能量，用FWHM表示，其單位就是KeV。例如，ENC200電子對(duì)，由噪聲引起的線(xiàn)寬為：24(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(xiàn)寬為：例如：則：252） 分辨時(shí)間與時(shí)間分辨本領(lǐng)：3） 輻照損傷 輻照損傷是半導(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)5.5MeV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。26 由于一般半導(dǎo)體材料的雜質(zhì)濃度和外加高壓的限制，耗盡層厚度為12m

11、m。 對(duì)強(qiáng)穿透能力的輻射而言，探測(cè)效率受很大的局限。P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器存在的矛盾：276.3 鋰漂移半導(dǎo)體探測(cè)器6.3.1. 鋰的漂移特性及P-I-N結(jié)1) 間隙型雜質(zhì)LiLi為施主雜質(zhì)，電離能很小 0.033eVLi漂移速度當(dāng)溫度T 增大時(shí)，(T)增大，Li+漂移速度增大。282) P-I-N結(jié)的形成 基體用P型半導(dǎo)體(因?yàn)闃O高純度的材料多是P型的)，例如摻硼的Si或Ge單晶。(1) 一端表面蒸Li，Li離子化為L(zhǎng)i+,形成PN結(jié)。(2) 另一端表面蒸金屬，引出電極。 外加電場(chǎng)，使Li+漂移。Li+與受主雜質(zhì)(如Ga-)中和，并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償形成 I 區(qū)。(3) 形成P-I-N結(jié)，未漂移補(bǔ)

12、償區(qū)仍為P，引出電極。PN+Intrinsic SemiFront metallizationOhmic back contactTo positive bias voltage 由硅作為基體的探測(cè)器稱(chēng)為Si(Li)探測(cè)器，由鍺作為基體的探測(cè)器稱(chēng)為Ge(Li)探測(cè)器。鋰離子是用于漂移成探測(cè)器的唯一的離子。292) 工作條件 為了降低探測(cè)器本身的噪聲和FET的噪聲，同時(shí)為降低探測(cè)器的表面漏電流，鋰漂移探測(cè)器和場(chǎng)效應(yīng)管FET都置于真空低溫的容器內(nèi)，工作于液氮溫度(77K)。 對(duì)Ge(Li)探測(cè)器，由于鋰在鍺中的遷移率較高，須保持在低溫下，以防止Li+Ga-離子對(duì)離解，使Li+沉積而破壞原來(lái)的補(bǔ)償；

13、 對(duì)Si(Li)探測(cè)器，由于鋰在硅中的遷移率較低，在常溫下保存而無(wú)永久性的損傷。303) 由于PIN探測(cè)器能量分辨率的大大提高，開(kāi)創(chuàng)了譜學(xué)的新階段。Li漂移探測(cè)器的問(wèn)題：低溫下保存代價(jià)很高；漂移的生產(chǎn)周期很長(zhǎng)，約3060天。316.4 高純鍺(HPGe)半導(dǎo)體探測(cè)器由耗盡層厚度的公式：降低雜質(zhì)的濃度Ni可提高耗盡層的厚度。 高純鍺半導(dǎo)體探測(cè)器是由極高純度的Ge單晶制成的 P-N結(jié) 半導(dǎo)體探測(cè)器。雜質(zhì)濃度為1010原子/cm3。一般半導(dǎo)體材料雜質(zhì)濃度為1015原子/cm3。326.4.1. 高純鍺探測(cè)器的工作原理1) P-N結(jié)的構(gòu)成(N+-P- P+) 采用高純度的 P型Ge單晶，一端表面通過(guò)蒸發(fā)擴(kuò)散或加速器離子注入施主雜質(zhì)(如磷或鋰)形成 N區(qū) 和 N+，并形成P-N結(jié)。另一端蒸金屬形成 P+。兩端引出電極。 因?yàn)殡s質(zhì)濃度極低，相應(yīng)的電阻率很高?？臻g電荷密度很小，P區(qū)的耗盡層厚度大。336.5.3. 性能其中： Si(Li)和Ge(Li)平面型探測(cè)器用于低能(X)射線(xiàn)的探測(cè)，其能量分辨率常以55Fe的衰變產(chǎn)物55Mn的KX能量5.95KeV為標(biāo)準(zhǔn)，一般指標(biāo)約：1) 能量分辨率：為載流子數(shù)的漲落。為漏電流和噪聲； 為載流子由于陷阱效應(yīng)帶來(lái)的漲落，通過(guò)適當(dāng)提高偏置電壓減小