高純鍺探測器課件

高純鍺探測器與其他探測器高純鍺探測器與其他探測器1第四節(jié)：高純鍺探測器1.高純鍺探測器的結(jié)構(gòu)2.同軸型高純鍺探測器的電場和電容3.高純鍺探測器的主要性能第四節(jié)：高純鍺探測器1.高純鍺探測器的結(jié)構(gòu)2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1～2mm。對強(qiáng)穿透能力的輻射而言，探測效率受很大的局限。由此而研發(fā)的一種耗盡層厚度較大，雜質(zhì)濃度低，電阻率極大的半導(dǎo)體探測器。其基底為高純度的鍺，稱之為高純鍺半導(dǎo)體探測器。什么是高純鍺探測器？什么是高純鍺探測器？34.1高純鍺探測器的結(jié)構(gòu)高純鍺探測器的結(jié)構(gòu)主要有兩種：平面型同軸型4.1高純鍺探測器的結(jié)構(gòu)高純鍺探測器的結(jié)構(gòu)主要有兩種：平面型41）平面型高純鍺探測器其工作原理與結(jié)構(gòu)與PN節(jié)半導(dǎo)體探測器區(qū)別不大，但體積較小，且厚度為5mm-10mm，常用于低能或X射線的探測以及高能的帶電粒子的測量。其工作時(shí)需要注意兩點(diǎn)：1.要求其工作在全耗盡狀態(tài)2.要求在液氮溫度下使用（77K）高純鍺探測器禁帶寬度只有0.7eV左右，，保證Ge晶體工作于半導(dǎo)體狀態(tài)，并防止電子因?yàn)闇囟茸约ぐl(fā)帶來顯著噪聲。另外整個(gè)探測系統(tǒng)中的前置放大器通常與探測器安裝在一起，前置放大器中的第一級場效應(yīng)晶體管（FET）也被冷卻至接近77K的溫度，目的是為了減少FET噪音。因此如果溫度升高（但在可接受范圍內(nèi)），可能觀察到探測器漏電流的顯著升高，探測器漏電流會使spectrum中低于30keV的區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)顯著噪音信號，漏電流的變化可使能量分辨率惡化。1）平面型高純鍺探測器其工作原理與結(jié)構(gòu)與PN節(jié)半導(dǎo)體探測器區(qū)52）同軸型高純鍺半導(dǎo)體探測器同軸型的特點(diǎn)：

由于鍺晶體沿著軸向可以做的很長，因此軸向探測器的有效探測長度以及靈敏體積可以做得很大（可達(dá)400cm3），從而可以用來測量穿透能力強(qiáng)的高能射線（10Mev的γ射線）。2）同軸型高純鍺半導(dǎo)體探測器6同軸型高純鍺探測器結(jié)構(gòu)P型HPGe本征區(qū)N層探測器外加電壓同軸高純鍺可以是P型（常規(guī)型）也可以是N型（倒置型）Ge,其外加電壓有所不同。同軸型高純鍺探測器結(jié)構(gòu)P型HPGe本征區(qū)N層探測器外加電壓同7P型HPGe本征區(qū)N層關(guān)于探測器的引出電極通常采用外表面接法，這樣隨著外加電壓的增大耗盡層將由外表面向里擴(kuò)散，當(dāng)達(dá)到耗盡電壓時(shí)耗盡層剛好到達(dá)內(nèi)表面。由于電極附近的場強(qiáng)較大，因此有利于載流子的收集，對P型HPGe,外表面為n+接觸，通常采用Li作為外表面，厚度為600um左右，外加電壓采用外接法，對N型HPGe則正好相反，外表面為P+接觸，施加電壓為倒置電壓。P型HPGe本征區(qū)N層關(guān)于探測器的引出電極通常采用外表面接法84.2同軸型高純鍺探測器的電場和電容在柱坐標(biāo)中，泊松方程可以轉(zhuǎn)化為如下形式：這里考慮雙端同軸型，設(shè)內(nèi)外徑分別為r1,r2，設(shè)外加電壓為VB，即V（r2）-V（r1）=VB安此邊界條件可求出：1）電場：4.2同軸型高純鍺探測器的電場和電容在柱坐標(biāo)中，泊松方程可以9直角坐標(biāo)柱坐標(biāo)積分形式:

靜電場的基本方程微分形式：電勢的泊松方程直角坐標(biāo)柱坐標(biāo)積分形式:靜電場的基本方程微分形式：電勢的泊10電勢的泊松方程電位?滿足的泊松方程電勢的泊松方程電位?滿足的泊松方程11柱坐標(biāo)中，電勢的泊松方程直角坐標(biāo)柱坐標(biāo)柱坐標(biāo)中，電勢的泊松方程直角坐標(biāo)柱坐標(biāo)122）電容：對于圓柱體由高斯公式可知由此可得到電勢從而有圓柱形HPGe的電容2）電容：對于圓柱體由高斯公式可知由此可得從而有圓柱形HPG134.3高純鍺探測器的主要性能

3.1能量分辨率3.5中子輻照3.2探測效率3.4電荷收集和時(shí)間特性3.3峰康比與峰形狀4.3高純鍺探測器的主要性能

3.1能量分辨率3.5中子輻照144.3.1能量分辨率影響分辨率的因素射線產(chǎn)生的電子空穴對的漲落電子空穴對的俘獲探測器及儀器的電子學(xué)噪聲工作溫度4.3.1能量分辨率影響分辨射線產(chǎn)生的電子空穴對的漲落電子空15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(dāng)提高偏置電壓減小

總能量分辨率4.3.1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164.3.2探測效率探測效率的影響因素探測器的靈敏體積幾何形狀臨近探測器的物質(zhì)射線的能量這里僅討論了γ射線與特征x射線的探測效率4.3.2探測效率探測效率的探測器的靈敏體積幾何形狀臨近探測174.3.2探測效率（2）相對效率（1）絕對全能峰探測效率εp4.3.2探測效率（2）相對效率（1）絕對全能εp18絕對全能峰探測效率εpεp=全能峰——光電效應(yīng)＋所有的累計(jì)效應(yīng)εp是射線能量的函數(shù)，因此想要高的探測效率需要使入射的射線全部沉積在靈敏體積當(dāng)中通常需要知道εp-Eγ的關(guān)系曲線，一般采用刻度法。左圖為HPGe和Ge(Li)探測器的效率刻度曲線，是用能量和各能量射線分支比已知的放射源進(jìn)行刻度的，可以看到在能量為200keV-3MeV之間相對效率與射線能量之間的關(guān)系近似為一條直線。在這個(gè)能量區(qū)間的探測效率相對來說可以準(zhǔn)確的獲得。絕對全能峰探測效率εpεp=全能峰——光電效應(yīng)＋所有的累計(jì)效19射線的能量有關(guān)與HPGe的靈敏體積有關(guān)源與探測器的距離有關(guān)εpεp有關(guān)的因素射線的能與HPGe的靈源與探測器εpεp有關(guān)的因素20相對探測效率相對效率=B=Co(60)1.33MeVgamma射線在NaI（?7.62cm×7.62cm）閃爍體探測器中光電峰面積A=Co(60)1.33MeVgamma射線在HPGe靈敏體積中的光電峰面積由于相對效率與光電峰的面積有關(guān)，而光電峰與靈敏體積有關(guān)，因此，體積越大效率會增加，其間的關(guān)系（相對于1.33MeV）可表示為如下公式相對效率（%）=相對探測效率相對效率=B=Co(60)1.33MeVgamm214.3.3峰康比與峰形狀峰康比：全能峰(光電峰)多次Compton散射單逃逸峰雙逃逸峰提高峰康比的方法：增大靈敏體積；選著好的幾何形狀（軸長等于直徑，中心孔盡量?。桓叩哪芰糠直媛?；相對效率為10%到100%的同軸型HPGe峰康比約為40:1到80:1低能射線的全能峰4.3.3峰康比與峰形狀峰康比：全能峰(光電峰)多次Comp22一種HPGe反康普頓

譜儀一種HPGe反康普頓譜儀23反符合屏蔽與康普頓抑制低本底HPGeγ譜儀用HPGe反康普頓

探測器測得的60Co

能譜反符合屏蔽與康普頓抑制低本底HPGeγ譜儀用HPGe反康普頓244.3.4電荷收集和時(shí)間特性1）輸出回路：由于HPGe探測器也是半導(dǎo)體探測器，因此其輸出回路，輸出信號與其他半導(dǎo)體探測器基本一致測量儀器4.3.4電荷收集和時(shí)間特性1）輸出回路：由于HPGe探測器25考慮結(jié)電阻Rd和結(jié)電容Cd，結(jié)區(qū)外半導(dǎo)體電阻和電容RS，CS，并把探測器等效成一個(gè)人電流源，從而得到如下等效電路圖考慮結(jié)電阻Rd和結(jié)電容Cd，結(jié)區(qū)外半導(dǎo)體電阻和電容RS，CS262）電荷的收集

當(dāng)R0(Cd+Ca)>>tc(tc為載流子收集時(shí)間)時(shí)，為電壓脈沖型工作狀態(tài)：2）電荷的收集當(dāng)R0(Cd+Ca)>>tc27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(dāng)所加偏壓不穩(wěn)定時(shí)，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。輸出回路的時(shí)間常數(shù)為：τ0=RfCf則h只與反饋電容有關(guān)，保證了在偏壓不穩(wěn)定時(shí)h不發(fā)生漲落但是，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28電荷靈敏放大器Cr是放大器的輸入電容和分布電容之和。Cf為反饋電容。如將反饋回路的電容等效到輸入端，則輸入端的總電容為當(dāng)半導(dǎo)體探測器輸出電荷時(shí)，在放大器輸入端形成的信號電壓為如果滿足條件A0>>1,則由此可見，只要滿足上述條件，電荷靈敏放大器的輸出信號幅度h就僅與探測器輸出的電荷Q成正比，而與探測器的結(jié)電容Cd和放大器的輸入電容Cr無關(guān)，保證了輸出信號的穩(wěn)定性電荷靈敏放大器Cr是放大器的輸入電容和分布電容之和。Cf為反293)載流子收集時(shí)間脈沖前沿從粒子入射至全部載流子被收集(tc)

由于在邊界，電場強(qiáng)度趨于0，定義載流子掃過x＝0.99W的距離的時(shí)間為載流子收集時(shí)間：3)載流子收集時(shí)間脈沖前沿從粒子入射至全部載流子被收集(t304.3.5中子輻照損傷中子輻照損傷的機(jī)理：當(dāng)一定能量的中子射入HPGe探測器靈敏體積時(shí)會引起晶格的缺陷，錯(cuò)位等，從而影響到探測器的能量分辨率。閾注量：能量分辨率開始出現(xiàn)變化時(shí)所對應(yīng)的中子注量。閾注量與探測器的尺寸有關(guān)，尺寸越大，閾注量約低。閾注量還與探測器的類型有關(guān)，下表給出了幾種探測器的閾注量4.3.5中子輻照損傷中子輻照損傷的機(jī)理：當(dāng)一定能量的中子射31第五節(jié)：其他探測器1.鋰漂移硅探測器2.化合物半導(dǎo)體探測器3.位置靈敏探測器第五節(jié)：其他探測器1.鋰漂移硅探測器325.1鋰漂移硅探測器5.1.1鋰的漂移特性及P-I-N結(jié)1)

間隙型雜質(zhì)——LiLi電離能很小～0.033eV，常溫下由于熱運(yùn)動即可電離，Li電離成Li＋，為施主雜質(zhì)，在Li端形成N區(qū)，之后Li＋在電場作用下的漂移，其過程如下：5.1鋰漂移硅探測器5.1.1鋰的漂移特性及P-I-N結(jié)133Li＋漂移速度當(dāng)溫度T增大時(shí)，

(T)增大，Li+漂移速度增大。Li＋在電場作用下的漂移Li＋的半徑比Si和Ge半導(dǎo)體晶格間距小得多在電場作用下，Li＋可以很容易穿過Si和Ge半導(dǎo)體晶格，漂移深入半導(dǎo)體內(nèi)部Li＋會和半導(dǎo)體材料中的B-中和Li＋的補(bǔ)償作用，提高了電阻率，增大了結(jié)區(qū)Li＋漂移速度當(dāng)溫度T增大時(shí)，(T)增大，Li+漂移速度342)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B-)中和，并可實(shí)現(xiàn)自動補(bǔ)償形成I區(qū)。(3)形成P-I-N結(jié)，未漂移補(bǔ)償區(qū)仍為P，引出電極。PN+IntrinsicSemiFrontmetallizationOhmicbackcontactTopositivebiasvoltage

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。2)P-I-N結(jié)的形成基體用P型半導(dǎo)體(因?yàn)闃O高355.1.2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(bǔ)償區(qū)，呈電中性為均勻電場；I區(qū)為耗盡層，電阻率可達(dá)1010

cm；I區(qū)厚度可達(dá)10～20mm，為靈敏體積。雜質(zhì)濃度電荷分布電位電場5.1.2鋰漂移探測器的工作原理1)空間電荷分布、電場分36平面型的靈敏區(qū)電場均勻分布同軸型的電場非均勻分布靈敏區(qū)的電場d為靈敏區(qū)厚度V0為偏置電壓式中r1和r2分別為未補(bǔ)償?shù)腜芯半徑r為靈敏區(qū)半徑平面型的靈敏區(qū)電場均勻分布同軸型的電場非均勻分布靈敏區(qū)的電場37平面型：靈敏區(qū)的電容同軸型：式中l(wèi)為靈敏區(qū)的長度平面型：靈敏區(qū)的電容同軸型：式中l(wèi)為靈敏區(qū)的長度38輸出脈沖輸出脈沖類似于電離室平面型：同軸型：

輸出脈沖輸出脈沖類似于電離室平面型：同軸型：39前面討論的半導(dǎo)體能量分辨率也適用于Si（Li）探測器，這里僅強(qiáng)調(diào)兩點(diǎn)：5.1.3能量分辨率

（1）Si（Li）探測器常用于測量低能和x射線能譜。影響Si（Li）探測器的能量分辨率的因素主要有窗厚，死層，因此應(yīng)盡量減小窗的影響。（2）Si（Li）探測器的靈敏區(qū)相當(dāng)后（5-10mm），常溫下暗電流的漲落將不容忽視，因此必須在液氮溫度（77K）下工作。前面討論的半導(dǎo)體能量分辨率也適用于Si（Li）探測器，這里僅405.2化合物半導(dǎo)體探測器why化合物半導(dǎo)體探測器？為了解決傳統(tǒng)硅探測器對低能射線和X射線探測效率低，鍺探測器需工作在液氮溫度下等問題而開發(fā)的一些化合物半導(dǎo)體探測器。目前主要有這三類化合物探測器：

碲化鎘(CdTe)

碲鋅鎘(CdZnTe)

碘化汞(HgI2)

5.2化合物半導(dǎo)體探測器why化合物半導(dǎo)體探測器？為了解決傳41CdTe,CdZnTe,HgI2

的特性參數(shù)CdTe,CdZnTe,HgI2的特性參數(shù)42這三類探測器的優(yōu)勢市場上已在銷售這三種材料制成的探測器，譜儀，成像系統(tǒng)。85%的100keV光子被完全吸收：1mm厚的HgI2,2.6mm厚的CdTe,10mm厚的Ge高探測效率(高Z，高密度），CdTe的光電幾率是Ge4～5倍,HgI2

為50倍室溫操作（高帶寬）高電阻率小的探測器體積43這三類探測器的優(yōu)勢市場上已在銷售這三種材料制成的85%的105.2.1碲化鎘(CdTe)2）性能：與硅(ZSi=14)和鍺(ZGe=32)相比，CdTe的原子序數(shù)(ZCd=48,ZTe=52)大，密度高(ρ=5．83g／cm3)，所以它對x射線、γ射線的阻止能力高，吸收能力強(qiáng)，本征探測效率就高，能量分辨率相對也較好。1）原理：與其它半導(dǎo)體探測器的探測原理一樣，CdTe探測器也是依靠加在探測器兩端的電壓(偏壓)將入射光子與CdTe發(fā)生相互作用產(chǎn)生的電子一空穴對進(jìn)行收集而產(chǎn)生電離電流I(t)信號，將這個(gè)電離電流信號通過電荷靈敏前置放大器轉(zhuǎn)換成電壓信號。5.2.1碲化鎘(CdTe)2）性能：與硅(ZS443）應(yīng)用：應(yīng)用于核工業(yè)中的厚度計(jì)，用探測器整列構(gòu)成醫(yī)用成像系統(tǒng)等16x16pixelsCdTeCrystal.1mmpixelpitch.ForuseinCT.3）應(yīng)用：應(yīng)用于核工業(yè)中的厚度計(jì)，用探測器整列構(gòu)成醫(yī)用成像系453）應(yīng)用：應(yīng)用于核工業(yè)中的厚度計(jì)，用探測器整列構(gòu)成醫(yī)用成像系統(tǒng)，核探針等4x(4x16pixel)CdTecrystalsassembledtopcbforuseinbonedensiometrysystem.3）應(yīng)用：應(yīng)用于核工業(yè)中的厚度計(jì)，用探測器整列構(gòu)成醫(yī)用成像系465.2.2碘化汞(HgI2)

62,密度6.40g/cm3),對X和γ射線具有較高的阻止本領(lǐng),同時(shí)由于禁帶寬度(Eg=2.13eV)較大,電阻率高,工作時(shí)漏電流較小,用它可以制備體積小,重量輕,室溫下使用的γ射線和X射線探測。1）原理：HgI2探測器的工作原理與其他半導(dǎo)體探測器相似。

2）性能：HgI2是直接躍遷寬帶隙的Ⅱ-Ⅶ族化合物半導(dǎo)體,是優(yōu)異的光電導(dǎo)材料。由于它具有較大的平均原子序數(shù)(有效原子序數(shù)5.2.2碘化汞(HgI2)472）性能：V-I曲線:右圖為晶面面積S=12mm2，厚度L=0.5mm的HgI2探測器在T=295K時(shí)的V-I曲線。由圖可知HgI2探測器的漏電流在常溫下較小能譜特性：從圖中看出(a)圖譜線分辨率明顯比(b)圖好,這是因?yàn)镠gI2中電子和空穴的遷移率μe、μh分別為100cm2/V?S，4cm2/V?S他們被電極收集的效率不同，空穴的收集率低一些，因此選著負(fù)極作為入射面，這樣可以減小半高寬，提高分辨率HgI2探測器測得的Cd(109)譜(a)射線從負(fù)接觸面人射(b)射線從正接觸面人射2）性能：V-I曲線:右圖為晶面面積S=12mm2，厚度L483）應(yīng)用：HgI2主要用于室溫下使用的γ射線

和X射線探測，也可以用于測量高能帶電粒子。HgI2晶體3）應(yīng)用：HgI2主要用于室溫下使用的γ射線

和X射線探測495.3位置靈敏探測器什么是位置靈敏探測器？能夠同時(shí)探測入射粒子能量與位置的半導(dǎo)體探測器（由于射線在半導(dǎo)體中的電離密度要比空氣中高出約三個(gè)數(shù)量級，因此通常采用半導(dǎo)體材料做成位置靈敏探測器）5.3位置靈敏探測器什么是位置靈敏探測器？能夠同時(shí)探測入射粒505.3.1位置靈敏探測器基本原理（a）半導(dǎo)體位置靈敏探測器示意圖圖（a）為一簡單的位置靈敏探測器示意圖，入射粒子進(jìn)入入射面后將探測器分成兩部分，（1）入射粒子到A端；（2）入射粒子到B端；由B端引出的信號將反應(yīng)出粒子位置的信息5.3.1位置靈敏探測器基本原理（a）半導(dǎo)體位置靈敏探測器示515.3.1位置靈敏探測器基本原理

B端引出的電流為：D端引出的電壓為：又電阻與導(dǎo)線長度成正比：所以D端的幅度為：5.3.1位置靈敏探測器基本原理

B端引出的電流為：D端引出525.3.2硅微條二維位置靈敏探測器組成結(jié)構(gòu)：利用離子注入或是光刻技術(shù)在硅片表面形成一系列彼此平行的窄帶電極，上下兩面電極相互平行。X，Y方面的位置信號各通過一組彼此獨(dú)立的外接電阻網(wǎng)絡(luò)和兩端的電荷靈敏放大器引出。兩個(gè)電荷靈敏放大器的信號只差給出位置信息，信號幅度之和給出位置信息。其分辨率由點(diǎn)擊帶寬度決定5.3.2硅微條二維位置靈敏