半導(dǎo)體探測器

1、半導(dǎo)體探測器第1頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二 半導(dǎo)體探測器的基本原理是帶電粒子在半導(dǎo)體探測器的靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對，電子空穴對在外電場的作用下漂移而輸出信號。 我們把氣體探測器中的電子離子對、閃爍探測器中被 PMT第一打拿極收集的電子 及半導(dǎo)體探測器中的電子空穴對統(tǒng)稱為探測器的信息載流子。產(chǎn)生每個信息載流子的平均能量分別為30eV(氣體探測器)，300eV(閃爍探測器)和3eV(半導(dǎo)體探測器)。第2頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二半導(dǎo)體探測器的特點：(1) 能量分辨率最佳；(2) 射線探測效率較高，可與閃爍探測器相比。常用半導(dǎo)體探測器有：

2、(1) P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測器；(2) 鋰漂移型半導(dǎo)體探測器；(3) 高純鍺半導(dǎo)體探測器；第3頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二10.1 半導(dǎo)體的基本性質(zhì)1、本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體1) 本征半導(dǎo)體： 由于熱運動而產(chǎn)生的載流子濃度稱為本征載流子濃度，且導(dǎo)帶中的電子數(shù)和價帶中的空穴數(shù)嚴格相等。 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“i”表示本征(Intrinsic)材料。T為材料的絕對溫度，EG為能級的禁帶寬度。第4頁，共48頁，2022年

3、，5月20日，1點48分，星期二2) 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)類型：替位型，間隙型。(1) 替位型：III族元素，如B，Al，Ga等； V族元素，如P，As，Sb等(2) 間隙型：Li，可在晶格間運動。3) 施主雜質(zhì)(Donor impurities)與施主能級 施主雜質(zhì)為V族元素，其電離電位ED很低，施主雜質(zhì)的能級一定接近禁帶頂部(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)體稱為N 型半導(dǎo)體。電子濃度：施主雜質(zhì)濃度第5頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二4)受主雜質(zhì)(Ac

4、ceptor impurities)與受主能級 受主雜質(zhì)為III族元素，其電離電位EA很低，受主雜質(zhì)的能級一定很接近禁帶底部(即價帶頂部)，室溫下價帶中電子容易躍遷這些能級上；在價帶中出現(xiàn)空穴。所以，此時多數(shù)載流子為空穴，雜質(zhì)原子成為負電中心。摻有受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為P 型半導(dǎo)體?？昭舛龋菏苤麟s質(zhì)濃度第6頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二Doping with valence 5 atomsDoping with valence 3 atomsN-type semiconductorP-type semiconductor第7頁，共48頁，2022年，5月20日，1點4

5、8分，星期二2、載流子濃度和補償效應(yīng)1) 載流子濃度空穴濃度：電子濃度： 式中，E1為導(dǎo)帶底；E2為價帶頂。Cn和Cp為與禁帶內(nèi)能級分布無關(guān)的常數(shù)。所以： 可見，對半導(dǎo)體材料，在一定溫度下，np僅與禁帶寬度有關(guān)。因此，在相同溫度下，本征半導(dǎo)體的相等的兩種載流子密度之積與摻雜半導(dǎo)體的兩種載流子密度之積相等，即：第8頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二2) 補償效應(yīng) 對N型半導(dǎo)體：n p，可以加入受主雜質(zhì)，使之成為本征半導(dǎo)體，此時n = p = ni，也稱為“準本征半導(dǎo)體”；進一步加入受主雜質(zhì)，可變?yōu)镻型半導(dǎo)體，即p n。但其代價為載流子的壽命將大大縮短。對本征半導(dǎo)體：對雜質(zhì)半

6、導(dǎo)體： ，但仍滿足當 n = p 時，載流子總數(shù) 取最小值。第9頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二3、半導(dǎo)體作為探測介質(zhì)的物理性能1) 平均電離能 （w）SiGe300K3.62eV 77K3.76eV2.96eV 入射粒子在半導(dǎo)體介質(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)。在半導(dǎo)體中消耗能量為E時，產(chǎn)生的載流子數(shù)目N為：第10頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二2) 載流子的漂移 由于 電子遷移率n 和 空穴遷移率p 相近，與氣體探測器不同，不存在電子型或空穴型半導(dǎo)體探測器。對N型半導(dǎo)體，電子的漂移速度為對P型半導(dǎo)

7、體，空穴的漂移速度為 電場較高時，漂移速度隨電場的增加較慢，最后達到載流子的飽和速度107cm/s。第11頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二3) 電阻率與載流子壽命半導(dǎo)體電阻率：本征電阻率： 摻雜將大大降低半導(dǎo)體的電阻率，對硅來說摻雜對電阻率的影響比鍺顯著得多。當半導(dǎo)體材料被冷卻到液氮溫度時將大大提高電阻率。 載流子壽命-載流子在俘獲以前，可在晶體中自由運動的時間。只有當漂移長度 大于靈敏體積的長度才能保證載流子的有效收集。對高純度的Si和Ge 10-3s，決定了Si和Ge為最實用的半導(dǎo)體材料。 高的電阻率和長的載流子壽命是組成半導(dǎo)體探測器的關(guān)鍵。第12頁，共48頁，20

8、22年，5月20日，1點48分，星期二10.2 P-N結(jié)半導(dǎo)體探測器1、P-N結(jié)半導(dǎo)體探測器的工作原理1) P-N結(jié)區(qū)(勢壘區(qū))的形成 (1) 多數(shù)載流子擴散，空間電荷形成內(nèi)電場并形成結(jié)區(qū)。結(jié)區(qū)內(nèi)存在著勢壘，結(jié)區(qū)又稱為勢壘區(qū)。勢壘區(qū)內(nèi)為耗盡層，無載流子存在，實現(xiàn)高電阻率，達 ，遠高于本征電阻率。第13頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二(2) P-N結(jié)內(nèi)的電流 If 能量較高的多子穿透內(nèi)電場，方向為逆內(nèi)電場方向；IG 在結(jié)區(qū)內(nèi)由于熱運動產(chǎn)生的電子空穴對； IS 少子擴散到結(jié)區(qū)。 IG，IS的方向為順內(nèi)電場方向。IfIG , IS平衡狀態(tài)時：第14頁，共48頁，2022年，5

9、月20日，1點48分，星期二(3) 外加電場下的P-N結(jié)： 即在使結(jié)區(qū)變寬的同時，IG 增加, IS不變，If減小，并出現(xiàn)IL，此時表現(xiàn)的宏觀電流稱為暗電流。在外加反向電壓時的反向電流： 少子的擴散電流，結(jié)區(qū)面積不變，IS 不變； 結(jié)區(qū)體積加大，熱運動產(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)。 反向電壓形成的電場與內(nèi)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。第15頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二2) P-N結(jié)半導(dǎo)體探測器的特點 (1) 結(jié)區(qū)的空間電

10、荷分布，電場分布及電位分布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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + +第16頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二電場為非均勻電場：電位分布可由電場積分得到：第17頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二(

11、2) 結(jié)區(qū)寬度與外加電壓的關(guān)系當x = 0時，P區(qū)和N區(qū)的電位應(yīng)相等，即又因：所以：耗盡區(qū)的總寬度：當NDNA時，ba。則當NAND時，ab。則一般可寫成：Ni為摻雜少的一邊的雜質(zhì)濃度。第18頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二(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，因為：(4) 結(jié)電容隨工作電壓的變化 根據(jù)結(jié)區(qū)電荷隨外加電壓的變化率，可以計算得到結(jié)區(qū)電容： 結(jié)區(qū)電容隨外加電壓變化而變化，外加電壓的不穩(wěn)定可以影響探測器輸出電壓幅度的不穩(wěn)定。即：第19頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二2、P-N結(jié)半導(dǎo)體探測器的類型1) 擴散結(jié)(

12、Diffused Junction)型探測器采用擴散工藝高溫擴散或離子注入；材料一般選用P型高阻硅，電阻率為1000；在電極引出時一定要保證為歐姆接觸，以防止形成另外的結(jié)。 2) 金硅面壘(Surface Barrier)探測器一般用N型高阻硅，表面蒸金50100g/cm2 氧化形成P型硅，而形成P-N結(jié)。工藝成熟、簡單、價廉。 第20頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二3、半導(dǎo)體探測器的輸出信號1) 輸出回路 須考慮結(jié)電阻Rd和結(jié)電容Cd，結(jié)區(qū)外半導(dǎo)體材料的電阻和電容RS，CS。測量儀器第21頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二第22頁，共48頁，20

13、22年，5月20日，1點48分，星期二2) 輸出信號 當 R0(Cd+Ca) tc ( tc為載流子收集時間 )時，為電壓脈沖型工作狀態(tài)：輻射在靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)脈沖后沿以時間常數(shù)R0(Cd+Ca) 指數(shù)規(guī)律下降。脈沖前沿從粒子入射至全部載流子被收集(tc)。第23頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二但是，由于輸出電壓脈沖幅度h與結(jié)電容Cd有關(guān)，而結(jié)電容 隨偏壓而變化，因此當所加偏壓不穩(wěn)定時，將會使 h 發(fā)生附加的漲落， 不利于能譜的測量；為解決該矛盾，PN結(jié)半導(dǎo)體探測器通常不用電壓型或電流型前置放大器，而是采用電荷靈敏前置放大器。電荷靈敏放大器的輸入電容極大，可

14、以保證 C入 Cd ，而 C入是十分穩(wěn)定的，從而大大減小了Cd變化的影響。若反饋電容和反饋電阻為Cf和Rf，則輸出脈沖幅度為：輸出回路的時間常數(shù)為：第24頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二3) 載流子收集時間 由于在邊界，電場強度趨于0，定義載流子掃過 x0.99W 的距離的時間為載流子收集時間：可以獲得快的上升時間。第25頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二4、主要性能 主要用于測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)計漲落 式中：F為法諾因子，對Si，F(xiàn)=

15、0.143；對Ge，F(xiàn)=0.129。w為產(chǎn)生一個電子空穴對所需要的平均能量。第26頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二能量分辨率可用FWHM表示： FWHM 或 E 稱為半高寬或線寬，單位為：KeV。以210Po的 E5.304MeV 的粒子為例， 對一種PN結(jié)探測器，由于輸出脈沖幅度的統(tǒng)計漲落引起的線寬為：第27頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二(2) 探測器和電子學(xué)噪聲 探測器的噪聲由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，即放大器輸出噪聲電壓的均

16、方根值等效于放大器輸入端的噪聲電荷，以電子電荷為單位；由于噪聲疊加在射線產(chǎn)生的信號上，使譜線進一步加寬，參照產(chǎn)生信號的射線的能量，用FWHM表示，其單位就是KeV。例如，ENC200電子對，由噪聲引起的線寬為：第28頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二(3) 窗厚度的影響式中 為單位窗厚度引起的能量損失。得到總線寬為：例如：則：第29頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二2） 分辨時間與時間分辨本領(lǐng)：3） 能量線性很好，與入射粒子類型和能量基本無關(guān)4） 輻照壽命 輻照壽命是半導(dǎo)體探測器的一個致命的弱點。半導(dǎo)體探測器隨著使用時間的增加，造成載流子壽命變短，影

17、響載流子的收集。例如，對5.5MeV的粒子，當達到109cm-2時，分辨率開始變壞，達到1011cm-2時明顯變壞。第30頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二5、應(yīng)用1） 重帶電粒子能譜測量2） dE/dx 探測器 dE/dx探測器工作于全耗盡型或過耗盡型狀態(tài)，可用于粒子鑒別。dE/dx探測器的輸出信號為X，能量探測器的輸出信號為Y，其乘積 XYmZ2 而得到粒子譜。第31頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二 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12mm。 對強穿透能力的輻射而言，探測效率受很大的局限。P-N結(jié)半導(dǎo)體探測器存在的矛盾

18、：第32頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二10.3 鋰漂移半導(dǎo)體探測器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漂移速度當溫度T 增大時，(T)增大，Li+漂移速度增大。第33頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二2) P-I-N結(jié)的形成 基體用P型半導(dǎo)體(因為極高純度的材料多是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Li+,形成PN結(jié)。(2) 另一端表面蒸金屬，引出電極。 外加電場，使Li+漂移。Li+與受主雜質(zhì)(如Ga-)中和，并可實現(xiàn)自動補償形成 I 區(qū)。(3)

19、 形成P-I-N結(jié)，未漂移補償區(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器稱為Si(Li)探測器，由鍺作為基體的探測器稱為Ge(Li)探測器。鋰離子是用于漂移成探測器的唯一的離子。第34頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二2. 鋰漂移探測器的工作原理1) 空間電荷分布、電場分布及電位分布I區(qū)為完全補償區(qū)，呈電中性為均勻電場；I區(qū)為耗盡層，電阻率可達1010cm；I區(qū)厚度可達1020mm，為靈敏體積。雜質(zhì)濃度電荷分布電位電場

20、第35頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二2) 工作條件 為了降低探測器本身的噪聲和FET的噪聲，同時為降低探測器的表面漏電流，鋰漂移探測器和場效應(yīng)管FET都置于真空低溫的容器內(nèi)，工作于液氮溫度(77K)。 對Ge(Li)探測器，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 離解，使Li+沉積而破壞原來的補償； 對Si(Li)探測器，由于鋰在硅中的遷移率較低，在常溫下保存而無永久性的損傷。3) 由于PIN探測器能量分辨率的大大提高，開創(chuàng)了譜學(xué)的新階段。Li漂移探測器的問題：低溫下保存代價很高；漂移的生產(chǎn)周期很長，約3060天。第36頁，共48頁，202

21、2年，5月20日，1點48分，星期二10.4 高純鍺(HPGe)半導(dǎo)體探測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)體探測器是由極高純度的Ge單晶制成的 P-N結(jié) 半導(dǎo)體探測器。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。第37頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二1. 高純鍺探測器的工作原理1) P-N結(jié)的構(gòu)成 采用高純度的 P型Ge單晶，一端表面通過蒸發(fā)擴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+，并作為入射窗。兩端引出電極。 因為雜質(zhì)濃度極低，相應(yīng)的電

22、阻率很高。空間電荷密度很小，P區(qū)的耗盡層厚度大。第38頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二2) 空間電荷分布、電場分布及電位分布電荷分布電位電場第39頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二2. 高純鍺探測器的特點1) P區(qū)存在空間電荷，HPGe半導(dǎo)體探測器是PN結(jié)型探測器。2) P區(qū)為非均勻電場。3) P區(qū)為靈敏體積，其厚度與外加電壓有關(guān)，一般工作于全耗盡狀態(tài)。4) HPGe半導(dǎo)體探測器可在常溫下保存，低溫下工作。第40頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二10.5 鋰漂移和HPGe半導(dǎo)體探測器的性能與應(yīng)用1. 結(jié)構(gòu)平面型：體積較小，厚度

23、一般小于2.0cm，常用于低能或X射線的探測。同軸型：體積較大，用于射線的探測。 對兩種不同的結(jié)構(gòu)形式，由于空間電荷的作用，靈敏體積內(nèi)的電場分布是不同的。2. 輸出信號 與電離室相似，載流子漂移速度快，載流子收集時間就短，可以獲得快上升時間的輸出電壓脈沖。其上升時間與入射粒子的位置有關(guān)，是變前沿的輸出電壓脈沖。 對平面型和同軸型的本征電流在電容上積分得到的輸出信號的形狀可以定量描述。第41頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二對平面型探測器:對同軸型探測器:第42頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二3. 性能其中： Si(Li)和Ge(Li)平面型探測器用于低能(X)射線的探測，其能量分辨率常以55Fe的衰變產(chǎn)物55Mn的KX能量5.95KeV為標準，一般指標約：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)帶來的漲落，通過適當提高偏置電壓減小。 HPGe，Ge(Li)同軸型探測器用于射線探測，常以60Co能量為1.332MeV的射線為標準，一般指標約：第43頁，共48頁，2022年，5月20日，1點48分，星期二2) 探測效率一般以3英寸3英寸的NaI(Tl)晶體為100，