核電子學(xué)第二課

1、核電子學(xué)第二課第1頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四上次課關(guān)鍵點(diǎn)時(shí)域分析與頻域分析tf(t)0時(shí)域0F()傅立葉變換傅立葉逆變換頻域第2頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四本堂課主要內(nèi)容：一、氣體探測(cè)器 （Gasfilled Detector）二、閃爍體探測(cè)器 （Scintillation Detector）三、半導(dǎo)體探測(cè)器 （Semiconductor Detector）第3頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四為什么需要輻射探測(cè)器？對(duì)于輻射是不能感知的，因此人們必須借助于核輻射探測(cè)器探測(cè)各種輻射，給出輻射的類(lèi)型、強(qiáng)度(數(shù)量)、能量

2、及時(shí)間等特性。即對(duì)輻射進(jìn)行測(cè)量。核輻射探測(cè)器的定義：利用輻射在氣體、液體或固體中引起的電離、激發(fā)效應(yīng)或其它物理、化學(xué)變化進(jìn)行輻射探測(cè)的器件稱(chēng)為輻射探測(cè)器。探測(cè)器按探測(cè)介質(zhì)類(lèi)型及作用機(jī)制主要分為： 氣體探測(cè)器； 閃爍體探測(cè)器； 半導(dǎo)體探測(cè)器。第4頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四輻射探測(cè)的基本過(guò)程：輻射粒子射入探測(cè)器的靈敏體積；入射粒子通過(guò)電離、激發(fā)等效應(yīng)而在探測(cè)器中沉積能量；探測(cè)器通過(guò)各種機(jī)制將沉積能量轉(zhuǎn)換成某種形式的輸出信號(hào)。輻射探測(cè)器學(xué)習(xí)要點(diǎn)（研究問(wèn)題）： 探測(cè)器的工作機(jī)制； 探測(cè)器的輸出回路與輸出信號(hào)； 探測(cè)器的主要性能指標(biāo)； 探測(cè)器的典型應(yīng)用。第5頁(yè)，共52頁(yè)，2

3、022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四一、氣體探測(cè)器1.1氣體中離子與電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律氣體的電離與激發(fā) 入射帶電粒子與靶原子的核外電子通過(guò)庫(kù)侖作用，使電子獲得能量而引起原子的電離或激發(fā)。 入射粒子直接產(chǎn)生的離子對(duì)稱(chēng)為原電離。初電離產(chǎn)生的高速電子足以使氣體產(chǎn)生的電離稱(chēng)為次電離。 總電離 =原電離+ 次電離 電離能W：帶電粒子在氣體中產(chǎn)生一電子離子對(duì)所需的平均能量。 對(duì)不同的氣體，W大約為30eV。第6頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四一、氣體探測(cè)器1.1氣體中離子與電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律電子與離子在氣體中的運(yùn)動(dòng) 當(dāng)存在外加電場(chǎng)的作用情況時(shí)，離子和電子除了與作熱運(yùn)動(dòng)的氣體分子碰撞而雜

4、亂運(yùn)動(dòng)和因空間分布不均勻造成的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)外，還有由于外加電場(chǎng)的作用沿電場(chǎng)方向定向漂移。 離子的飄移： 在存在電場(chǎng)的情況下，兩次碰撞之間離子從電場(chǎng)獲得的能量又會(huì)在碰撞中損失，離子的能量積累不起來(lái)。 電子的漂移： 電子與氣體分子發(fā)生彈性碰撞時(shí)，每次損失的能量很小，因此，電子在兩次碰撞中由外電場(chǎng)加速的能量可積累起來(lái)。第7頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四一、氣體探測(cè)器1.1氣體中離子與電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律第8頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四一、氣體探測(cè)器1.2電離室的工作機(jī)制電離室的工作方式 (1) 脈沖型工作狀態(tài) 記錄單個(gè)入射粒子的電離效應(yīng)，處于這種工作狀態(tài)的

5、電離室稱(chēng)為：脈沖電離室。 (2) 累計(jì)型工作狀態(tài) 記錄大量入射粒子平均電離效應(yīng)，處于這種工作狀態(tài)的電離室稱(chēng)為：累計(jì)電離室。第9頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四一、氣體探測(cè)器1.2電離室的工作機(jī)制電離室的基本機(jī)構(gòu) 不同類(lèi)型的電離室在結(jié)構(gòu)上基本相同，典型結(jié)構(gòu)有平板型和圓柱型。 高壓極(K)：正高壓或負(fù)高壓； 收集極(C)：與測(cè)量?jī)x器相聯(lián)的電極，處于與地接近的電位； 保護(hù)極(G)：又稱(chēng)保護(hù)環(huán)，處于與收集極相同的電位； 負(fù)載電阻(RL)：電流流過(guò)時(shí)形成電壓信號(hào)。第10頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四一、氣體探測(cè)器平板型電離室第11頁(yè)，共52頁(yè)，2022年

6、，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四一、氣體探測(cè)器圓柱型電離室第12頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四一、氣體探測(cè)器1.3脈沖電離室 電離室處于脈沖工作狀態(tài)，電離室的輸出信號(hào)僅反映單個(gè)入射粒子的電離效應(yīng)?？梢詼y(cè)量每個(gè)入射粒子的能量、時(shí)間、強(qiáng)度等。 脈沖電離室的輸出信號(hào)：電荷信號(hào)，電流信號(hào)，電壓信號(hào)。電離室是一個(gè)理想的電荷源（其外回路對(duì)輸出量無(wú)影響）。第13頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四一、氣體探測(cè)器1.3脈沖電離室 電離室可以用電流源I0(t)和C1并聯(lián)等效。并可得到其輸出回路的等效電路。第14頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四

7、一、氣體探測(cè)器1.4正比計(jì)數(shù)器（Proportional Counters） 正比計(jì)數(shù)器中，利用碰撞電離將入射粒子直接產(chǎn)生的電離效應(yīng)放大了，使得正比計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)幅度比脈沖電離室顯著增大。 對(duì)直接電離效應(yīng)放大的倍數(shù)稱(chēng)為“氣體放大倍數(shù)”，以A表示，在一定的工作條件下，A保持為常數(shù)。 正比計(jì)數(shù)器屬于非自持放電的氣體電離探測(cè)器。正比計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)上必須滿足實(shí)現(xiàn)碰撞電離的需要，而在強(qiáng)電場(chǎng)下才能實(shí)現(xiàn)碰撞電離。第15頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四一、氣體探測(cè)器1.4正比計(jì)數(shù)器（Proportional Counters） 正比計(jì)數(shù)器中發(fā)生的物理作用：碰撞電離與氣體放大 碰撞電離只有

8、電子才能實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電子到達(dá)距絲極一定距離 r0 之后，通過(guò)碰撞電離過(guò)程，電子的數(shù)目不斷增殖，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為氣體放大過(guò)程，又稱(chēng)電子雪崩。光子反饋 在電子與氣體分子的碰撞中，不僅能產(chǎn)生碰撞電離，同時(shí)也能產(chǎn)生碰撞激發(fā)。氣體分子在退激時(shí)會(huì)發(fā)出紫外光子，其能量一般大于陰極材料的表面逸出功，而在陰極打出次電子。第16頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四一、氣體探測(cè)器氣體放大過(guò)程中正離子的作用離子漂移速度慢，在電子漂移、碰撞電離等過(guò)程中，可以認(rèn)為正離子基本沒(méi)動(dòng)，形成空間電荷，處于陽(yáng)極絲附近，會(huì)影響附近區(qū)域的電場(chǎng)，使電場(chǎng)強(qiáng)度變?nèi)?，影響電子雪崩過(guò)程的進(jìn)行。正離子漂移到達(dá)陰極，與陰極表面的感應(yīng)電荷

9、中和時(shí)有一定概率產(chǎn)生次電子，發(fā)生新的電子雪崩過(guò)程，稱(chēng)為離子反饋；也可以通過(guò)加入少量多原子分子氣體阻斷離子反饋。第17頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四一、氣體探測(cè)器1.4正比計(jì)數(shù)器（Proportional Counters）正比計(jì)數(shù)器的應(yīng)用流氣式4正比計(jì)數(shù)器 特點(diǎn)：4立體角，探測(cè)效率高；流氣工作方式，換樣品方便，結(jié)構(gòu)密封簡(jiǎn)單；陽(yáng)極絲為環(huán)狀。低能X射線正比計(jì)數(shù)器鼓形正比計(jì)數(shù)器 特點(diǎn)：有入射窗，常用Be(鈹)窗。多絲正比室和漂移室 多絲正比室的陰極為平板，陽(yáng)極由平行的細(xì)絲組成多路正比計(jì)數(shù)器。位置靈敏度達(dá)到mm量級(jí)，為粒子物理等作出巨大貢獻(xiàn)，于1992年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。第18

10、頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四一、氣體探測(cè)器1.5 G-M計(jì)數(shù)管 G-M計(jì)數(shù)管是由蓋革(Geiger)和彌勒(Mueller)發(fā)明的一種利用自持放電的氣體電離探測(cè)器。 G-M管的特點(diǎn)是： 制造簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、使用方便。靈敏度高、輸出電荷量大。 G-M管的缺點(diǎn)是： 死時(shí)間長(zhǎng)，僅能用于計(jì)數(shù)。第19頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四一、氣體探測(cè)器1.5 G-M計(jì)數(shù)管G-M管的工作機(jī)制 (1)正離子鞘的形成及自持放電過(guò)程 初始電離及碰撞電離過(guò)程（電子加速發(fā)生碰撞電離形成電子潮雪崩過(guò)程） 放電傳播（氣體放出的紫外光子打到陰極上并打出次電子） 正離子鞘向陰極

11、漂移過(guò)程（形成“離子電流”，是形成輸出脈沖的主要貢獻(xiàn)） 正離子在陰極表面的電荷中和過(guò)程。 (2)有機(jī)和鹵素自熄G-M計(jì)數(shù)管 在工作氣體中加入少量有機(jī)氣體或鹵素氣體，構(gòu)成的G-M管，具有自熄能力。第20頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四一、氣體探測(cè)器1.5 G-M計(jì)數(shù)管G-M計(jì)數(shù)管的典型結(jié)構(gòu)及性能 G-M管主要有圓柱型和鐘罩型兩種。 圓柱型主要用于射線測(cè)量，而鐘罩型由于有入射窗，主要用于，射線的測(cè)量。第21頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四二、閃爍體探測(cè)器 閃爍探測(cè)器是利用輻射在某些物質(zhì)中產(chǎn)生的閃光來(lái)探測(cè)電離輻射的探測(cè)器。第22頁(yè)，共52頁(yè)，2022年

12、，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四二、閃爍體探測(cè)器閃爍探測(cè)器的工作過(guò)程： (1)輻射射入閃爍體使閃爍體原子電離或激發(fā)，受激原子退激而發(fā)出波長(zhǎng)在可見(jiàn)光波段的熒光； (2)熒光光子被收集到光電倍增管(PMT)的光陰極，通過(guò)光電效應(yīng)打出光電子； (3)光電子在光電倍增管里運(yùn)動(dòng)并倍增，并在陽(yáng)極輸出回路輸出信號(hào)。閃爍探測(cè)器可用來(lái)測(cè)量入射粒子的能量。第23頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四二、閃爍體探測(cè)器2.1閃爍體閃爍體的分類(lèi) 無(wú)機(jī)閃爍體： 無(wú)機(jī)晶體(摻雜) 玻璃體 純晶體 有機(jī)閃爍體：有機(jī)晶體蒽晶體等；有機(jī)液體閃爍體及塑料閃爍體。第24頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20

13、分，星期四二、閃爍體探測(cè)器2.1閃爍體閃爍體的發(fā)光機(jī)制 無(wú)機(jī)閃爍體的發(fā)光機(jī)制 晶體中電子的能態(tài)不再用原子能級(jí)表示，而用“能帶”來(lái)描述，晶體的發(fā)光機(jī)制取決于整個(gè)晶體的電子能態(tài)。對(duì)于離子晶體，輻射射入閃爍體使晶體原子電離和激發(fā)。第25頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四二、閃爍體探測(cè)器2.1閃爍體閃爍體的發(fā)光機(jī)制 有機(jī)閃爍體的發(fā)光機(jī)制 有機(jī)閃爍體的發(fā)射光譜和吸收光譜的峰值是分開(kāi)的，所以，有機(jī)閃爍體對(duì)其所發(fā)射的熒光是透明的。但發(fā)射譜的短波部分與吸收譜的長(zhǎng)波部分有重疊，為此在有的有機(jī)閃爍體中加入移波劑，以減少自吸收。第26頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四二、

14、閃爍體探測(cè)器2.1閃爍體光的收集 1) 反射層 在非光子出射面打毛，致使光子漫反射，并再襯以或涂敷氧化鎂或氧化鈦白色粉末。 2) 光學(xué)耦合 為防止光由光密介質(zhì)到光疏介質(zhì)發(fā)生的全反射，用折射系數(shù) n=1.41.8 的硅脂(或硅油)。 3) 光導(dǎo) 常用于閃爍體與光電倍增管的尺寸不符或其它特殊需要。第27頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四二、閃爍體探測(cè)器2.2光電倍增管光電倍增管的結(jié)構(gòu)第28頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四二、閃爍體探測(cè)器2.2光電倍增管光電倍增管的主要性能 光陰極的光譜響應(yīng) 光陰極受到光照后，發(fā)射光電子的概率是入射光波長(zhǎng)的函數(shù)，稱(chēng)作“光

15、譜響應(yīng)”。 光照靈敏度 陰極靈敏度；陽(yáng)極靈敏度。 光電倍增管的暗電流與噪聲 當(dāng)工作狀態(tài)下的光電倍增管完全與光輻射隔絕時(shí)，其陽(yáng)極仍能輸出電流(暗電流)及脈沖信號(hào)(噪聲)。 光電倍增管的時(shí)間特性與穩(wěn)定性。第29頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四二、閃爍體探測(cè)器2.3單晶閃爍譜儀閃爍譜儀的組成與工作原理 閃爍體、PMT以及配套的電子學(xué)儀器組成。 X或射線不帶電，它與閃爍體的相互作用是通過(guò)三種次級(jí)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，它產(chǎn)生的次級(jí)電子的能譜是相當(dāng)復(fù)雜的，因而由次級(jí)電子產(chǎn)生的輸出脈沖幅度譜也是相當(dāng)復(fù)雜的。 以NaI(Tl)閃爍晶體的單晶閃爍譜儀為例。第30頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日

16、，5點(diǎn)20分，星期四二、閃爍體探測(cè)器2.3單晶閃爍譜儀單能射線的輸出脈沖幅度譜 射線與物質(zhì)的相互作用：第31頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四二、閃爍體探測(cè)器2.3單晶閃爍譜儀單能射線的輸出脈沖幅度譜 常見(jiàn)單能射線譜第32頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四二、閃爍體探測(cè)器2.3單晶閃爍譜儀單能射線的輸出脈沖幅度譜 常見(jiàn)單能射線譜第33頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四三、半導(dǎo)體探測(cè)器 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

17、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)。第34頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四三、半導(dǎo)體探測(cè)器半導(dǎo)體探測(cè)器的特點(diǎn)： (1) 能量分辨率最佳； (2) 射線探測(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) 高純鍺半導(dǎo)體探測(cè)器。第35頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四三、半導(dǎo)體探測(cè)器3.1半導(dǎo)體的基本性質(zhì)

18、常用半導(dǎo)體材料為硅(Si)和鍺(Ge)，均為IV族元素。本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體 1) 本征半導(dǎo)體： 理想、無(wú)雜質(zhì)的半導(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。固體物理理論已證明半導(dǎo)體內(nèi)的載流子平衡濃度為：第36頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四三、半導(dǎo)體探測(cè)器3.1半導(dǎo)體的基本性質(zhì)本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體 2) 雜質(zhì)半導(dǎo)體 替位型：III族元素，如B，Al，Ga等； V族元素，如P，As，Sb等 間隙型：Li，可在晶格間運(yùn)動(dòng)。 施主雜質(zhì)（施主雜質(zhì)為V族元素，其電離電位ED很低。在室溫下，這些雜質(zhì)原子幾乎全部電離。摻有施主

19、雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱(chēng)為N 型半導(dǎo)體。） 受主雜質(zhì)（受主雜質(zhì)為III族元素，其電離電位EA也很低。摻有受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱(chēng)為P 型半導(dǎo)體。）第37頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四三、半導(dǎo)體探測(cè)器3.1半導(dǎo)體的基本性質(zhì)半導(dǎo)體作為探測(cè)介質(zhì)的物理性能 1)平均電離能 入射粒子在半導(dǎo)體介質(zhì)中平均產(chǎn)生一對(duì)電子空穴需要的能量。 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(cè)器不同，不存在電子型或空穴型半導(dǎo)體探測(cè)器。SiGe300K3.62eV2.80eV 77K3.76eV2.96eV第38頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四三、半導(dǎo)體探測(cè)器3.1

20、半導(dǎo)體的基本性質(zhì)半導(dǎo)體作為探測(cè)介質(zhì)的物理性能 3) 電阻率與載流子壽命 摻雜將大大降低半導(dǎo)體的電阻率，對(duì)硅來(lái)說(shuō)摻雜對(duì)電阻率的影響比鍺顯著得多。當(dāng)半導(dǎo)體材料被冷卻到液氮溫度時(shí)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(yùn)動(dòng)的時(shí)間。只有當(dāng)漂移長(zhǎng)度大于靈敏體積的長(zhǎng)度才能保證載流子的有效收集。對(duì)高純度的Si和Ge 10-3s，決定了Si和Ge為最實(shí)用的半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體電阻率：第39頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四三、半導(dǎo)體探測(cè)器3.2 P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器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))的形成多數(shù)載流子擴(kuò)散，空間電荷形成內(nèi)電場(chǎng)并形

21、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)高電阻率。第40頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四三、半導(dǎo)體探測(cè)器3.2 P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器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 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。 在外加反向電壓時(shí)的反向電流： 少子的擴(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(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。 即在使結(jié)區(qū)變寬

22、的同時(shí)，IG 增加, IS不變，并出現(xiàn)IL，此時(shí)表現(xiàn)的宏觀電流稱(chēng)為暗電流。第41頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四三、半導(dǎo)體探測(cè)器3.2 P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器的工作原理 2) P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器的特點(diǎn) 結(jié)區(qū)的空間電荷分布，電場(chǎng)分布n-typep-type- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + +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

23、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NDaNAb。第42頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四三、半導(dǎo)體探測(cè)器3.2 P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器的工作原理 2) P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器的特點(diǎn) 結(jié)區(qū)的空間電荷分布，電場(chǎng)分布 電場(chǎng)為非均勻電場(chǎng)：第43頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四三、半導(dǎo)體探測(cè)器3.2 P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器的工作原理 2) P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器的特點(diǎn) 結(jié)區(qū)寬度與外加電壓的關(guān)系 結(jié)區(qū)寬度的限制因素及結(jié)電容隨工作電壓的變化 受材料的擊穿電壓的限制；受暗電流的限制。 結(jié)區(qū)電容隨外加電壓變化而

24、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。Ni為摻雜少的一邊的雜質(zhì)濃度。第44頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四三、半導(dǎo)體探測(cè)器3.2 P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器的類(lèi)型 1) 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，電阻率為1000；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)。 2) 金硅面壘(Surface Barrier)探測(cè)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(jiǎn)單、價(jià)廉。 第45頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四三、半導(dǎo)體探測(cè)器3.2 P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器的輸出電路第46頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四三、半導(dǎo)體探測(cè)器3.3鋰漂移半導(dǎo)體探測(cè)器鋰的漂移特性及P-I-N結(jié) 1)間隙型雜質(zhì)Li Li為施主雜質(zhì)，電離能很小 0.033eV Li漂移速度2)P-I-N結(jié)的形成第47頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，5點(diǎn)20分，星期四三、半導(dǎo)體探測(cè)器3.3鋰漂移半導(dǎo)體探測(cè)器鋰的漂移探測(cè)器工作原理 空間電荷、電場(chǎng)及電位分布I區(qū)為完全