1、2022-4-30中國科大 汪曉蓮 1第四章第四章 半導體探測器半導體探測器 4-1 半導體的基本知識和探測器半導體的基本知識和探測器的工作原理的工作原理4-2 能量測量半導體探測器能量測量半導體探測器4-3 半導體探測器的主要參量半導體探測器的主要參量4-4 位置測量半導體探測器位置測量半導體探測器4-5 半導體探測器的應用半導體探測器的應用2022-4-30中國科大 汪曉蓮 2Semiconductor Detector 優點：優點：1）很高的能量分辨率）很高的能量分辨率，比氣體探測器大約高一個數量級，比氣體探測器大約高一個數量級，比閃爍計數器高的更多。因為在半導體中電離產生一比閃爍計數器

2、高的更多。因為在半導體中電離產生一對電子空穴對只需要對電子空穴對只需要3eV左右的能量；帶電粒子在半左右的能量；帶電粒子在半導體中的能量損失很多，在硅晶體中大約為導體中的能量損失很多，在硅晶體中大約為3.9MeV/ cm，所以，所以能量相同的帶電粒子在半導體中產生的電子能量相同的帶電粒子在半導體中產生的電子空穴對數比在氣體中產生的離子對數高一個數量級空穴對數比在氣體中產生的離子對數高一個數量級以上。這樣以上。這樣,電離對數的統計誤差比氣體小很多。電離對數的統計誤差比氣體小很多。2）很寬的能量響應線性范圍）很寬的能量響應線性范圍3）很快的響應時間，）很快的響應時間，ns量級，高計數率量級，高計數

3、率108/cm2s4）體積小）體積小5）很好的位置分辨率，好于）很好的位置分辨率，好于1.4 m。 缺點：缺點：對輻射損傷靈敏對輻射損傷靈敏2022-4-30中國科大 汪曉蓮 34-1 半導體的基本知識和半導體的基本知識和 探測器的工作原理探測器的工作原理一、半導體的基本知識一、半導體的基本知識1. 固體的導電性：固體的導電性： 物體導電是物體內電子在外電場作用下定向運動的結果。物體導電是物體內電子在外電場作用下定向運動的結果。2. 2. 導體、半導體、絕緣體的能帶導體、半導體、絕緣體的能帶 由于電場力對電子的作用，使電子的運動速度和能量發生變化。由于電場力對電子的作用，使電子的運動速度和能量

4、發生變化。 從能帶論來看，電子能量變化就是電子從一個能級躍遷到另一個從能帶論來看，電子能量變化就是電子從一個能級躍遷到另一個能級上。能級上。滿帶：滿帶：被電子占滿的能級，一般外電場作用時，其電子不形成被電子占滿的能級，一般外電場作用時，其電子不形成電流，對導電沒有貢獻，亦稱價帶。電流，對導電沒有貢獻，亦稱價帶。導帶：導帶：被電子部分占滿的高能態能級，在外電場作用下，電子被電子部分占滿的高能態能級，在外電場作用下，電子從外電場吸收能量躍遷到未被電子占據的能級上去，形成電流，從外電場吸收能量躍遷到未被電子占據的能級上去，形成電流，起導電作用。起導電作用。2022-4-30中國科大 汪曉蓮 4 禁帶

5、：禁帶：滿帶和導帶之間的禁區稱為禁帶，其寬度也稱為滿帶和導帶之間的禁區稱為禁帶，其寬度也稱為能隙能隙，記做，記做Eg。 導體、半導體和絕緣體之間的差別在于導體、半導體和絕緣體之間的差別在于禁帶寬度禁帶寬度不同：不同： 導體不存在禁帶，滿帶和導電交織在一起；導體不存在禁帶，滿帶和導電交織在一起； 半導體禁帶較窄，半導體禁帶較窄，Eg=0.1-2.2eV 絕緣體禁帶較寬，絕緣體禁帶較寬，Eg=2-10eV 由于能帶取決于原子間距，所以由于能帶取決于原子間距，所以Eg與溫度和壓力有關。一般禁帶寬與溫度和壓力有關。一般禁帶寬度大的材料，耐高溫性能和耐輻照性能好。度大的材料，耐高溫性能和耐輻照性能好。5

6、291010101010cmcmcm2022-4-30中國科大 汪曉蓮 5材料SiGeCdTeCdZnTe HgI2 CdSe GaAs原子序數（Z）143248、5248、30、5280、5348、3431、33密度（g/cm3）2.335.326.065.95.956.45.745.36介電常數11.715.74.468.812.5禁帶寬度Eg(eV)1.12/1.160.67/0.741.471.42.262.131.701.43平均電離能W(eV)3.62/3.762.80/2.964.464.34.35工作溫度（K）300/77300/77300300300300300漂移遷移率cm

7、2/(V.s)電子14503900110011001006508600空穴4501900100504651000少數載流子壽命 (s)10310361.110-22510-30.1電阻率(cm)104102109101110131012107俘獲長度(mm)103103111能量分辨率FWHM(KeV)55Fe, X 5.9KeV0.1361.11.50.295241Am, 59.5KeV0.400.31.531.25.92.657.Co, 122KeV0.550.44.53.92.0137Cs, 662KeV0.90.98104.5241Am,5.48MeV13.564.8幾種半導體材料的性

8、能參數幾種半導體材料的性能參數2022-4-30中國科大 汪曉蓮 63.3.本征半導體本征半導體理想的不含雜質的半導體稱為理想的不含雜質的半導體稱為本征半導體本征半導體，導帶上的電子數，導帶上的電子數目嚴格等于滿帶上的空穴數目，目嚴格等于滿帶上的空穴數目，n=p n=p 。一般情況下，半導體的滿帶完全被電子占滿，導帶中沒有電子。一般情況下，半導體的滿帶完全被電子占滿，導帶中沒有電子。在熱力學溫度為零時，即使有外電場作用，它們并不導電。但在熱力學溫度為零時，即使有外電場作用，它們并不導電。但是當溫度升高或有光照時，半導體滿帶中少量電子會獲得能量是當溫度升高或有光照時，半導體滿帶中少量電子會獲得能

9、量而被激發到導帶上，這些電子在外電場作用下將參與導電。同而被激發到導帶上，這些電子在外電場作用下將參與導電。同時滿帶中留下的空穴也參與導電。時滿帶中留下的空穴也參與導電。 N N型（電子型）半導體：型（電子型）半導體：導帶內電子運動，參與導電。導帶內電子運動，參與導電。 P P型（空穴型）半導體：型（空穴型）半導體：滿帶內空穴運動，參與導電。滿帶內空穴運動，參與導電。 載流子：載流子：是電子和空穴的統稱。溫度高，禁帶寬度小，產生是電子和空穴的統稱。溫度高，禁帶寬度小，產生的載流子數目就多；產生得越多，電子與空穴復合的幾率也越的載流子數目就多；產生得越多，電子與空穴復合的幾率也越大。在一定溫度下

10、，產生率和復合率達到相對平衡，半導體中大。在一定溫度下，產生率和復合率達到相對平衡，半導體中保持一定數目的載流子。保持一定數目的載流子。2022-4-30中國科大 汪曉蓮 7 載流子濃度：載流子濃度：固體物理可以證明本征半導體內的載流固體物理可以證明本征半導體內的載流子平衡濃度子平衡濃度23expiEgnn pUTkT每立方厘米體積中電子與空穴的濃度禁帶寬度(eV)絕對溫度(K)玻爾茲曼常數比例系數233323231031331.211.510exp0.7853.110exp3001.510/2.410/iiSinTkTGenTkTtKSinpcmGenpcm不 含 雜 質 的 理 想 本 征

11、 半 導 體 的 載 流 子 濃 度硅鍺在 室 溫 下 ， 本 征 半 導 體 載 流 子 濃 度硅鍺2022-4-30中國科大 汪曉蓮 8Silicon DetectorSome characteristics of Silicon crystals Small band gap Eg = 1.12 eV 0(e-h pair) = 3.6 eV High specific density 2.33 g/cm3 dE/dx (M.I.P.) 3.9 MeV/cm 102 e-h/m (average) High carrier mobility e =1450cm2/ V.s, h = 45

12、0 cm2/ V.s fast charge collection (10 ns) Very pure 1ppm impurities Rigidity of silicon allows thin self supporting structures Detector production by microelectronic techniques2022-4-30中國科大 汪曉蓮 9把電子貢獻給導帶的雜質稱為把電子貢獻給導帶的雜質稱為施主雜質施主雜質，雜質能級叫，雜質能級叫施施主能級主能級，位于導帶底部。常用的五價元素有：位于導帶底部。常用的五價元素有：P(磷磷)、As(砷砷)、 Sb(銻

13、銻)、 Li(鋰）等。五價元素原子的第鋰）等。五價元素原子的第5個價個價電子都激發到導帶中參與導電，五價元素原子成為正離電子都激發到導帶中參與導電，五價元素原子成為正離子，是不能移動的正電中心。這種半導體的導電主要是子，是不能移動的正電中心。這種半導體的導電主要是電子貢獻，稱作電子貢獻，稱作電子型或電子型或N型半導體型半導體。能接受滿帶中電子而產生導電空穴的雜質稱為能接受滿帶中電子而產生導電空穴的雜質稱為受主雜質受主雜質，常用的三價元素有：常用的三價元素有：B(硼硼)、Al(鋁鋁)、Ga(鎵鎵)、In(銦銦)。三價元素原子有從附近吸收一個電子的趨勢，在滿帶上三價元素原子有從附近吸收一個電子的趨

14、勢，在滿帶上面形成一個新的局部能級，叫面形成一個新的局部能級，叫受主能級受主能級。滿帶中的電子。滿帶中的電子很容易跳入該能級。在室溫下三價元素原子幾乎都形成很容易跳入該能級。在室溫下三價元素原子幾乎都形成負離子，是不能移動的負電中心，而在滿帶中產生空穴。負離子，是不能移動的負電中心，而在滿帶中產生空穴。這種半導體的導電主要是空穴的貢獻，稱作這種半導體的導電主要是空穴的貢獻，稱作空穴型空穴型或或P型半導體型半導體。2022-4-30中國科大 汪曉蓮 10 N型半導體的本征空穴和型半導體的本征空穴和P型半導體的本征電子也參與型半導體的本征電子也參與導電，稱為少數載流子。導電，稱為少數載流子。 對于

15、摻雜半導體，除了本征激發產生的電子空穴對以對于摻雜半導體，除了本征激發產生的電子空穴對以外，還有施主雜質提供的電子和受主雜質提供的空穴，外，還有施主雜質提供的電子和受主雜質提供的空穴，所以電子和空穴的濃度不相等。所以電子和空穴的濃度不相等。22Niinnnpnnppnp施施受受在型 半 導 體 中 ，在 P型 半 導 體 中 ，2022-4-30中國科大 汪曉蓮 11二、二、PN結（結（pn junction）結合前結合前，N N區的電子比區的電子比P P區多，區多，P P區的區的空穴比空穴比N N區多。區多。結合后結合后，電子由，電子由N N區向區向P P區擴散與空穴區擴散與空穴復合；空穴由

16、復合；空穴由P P區向區向N N區擴散與電子復區擴散與電子復合。擴散的結果形成合。擴散的結果形成PNPN結。結。在在PNPN結區結區，電子空穴很少，剩下的雜，電子空穴很少，剩下的雜質正負離子形成空間電荷區，其質正負離子形成空間電荷區，其內建內建電場電場方向由方向由N N區指向區指向P P區，阻止電子、區，阻止電子、空穴繼續擴散，并造成空穴繼續擴散，并造成少數載流子的少數載流子的反向漂移運動反向漂移運動。當擴散運動和反向漂。當擴散運動和反向漂移運動達到平衡時，移運動達到平衡時，P P區或區或N N區的電子區的電子空穴濃度就不再變化。空穴濃度就不再變化。這個這個由雜質離子組成的空間電荷由雜質離子組

17、成的空間電荷，即，即PNPN結區結區，亦稱，亦稱耗盡區，阻擋層，勢壘耗盡區，阻擋層，勢壘區。區。2022-4-30中國科大 汪曉蓮 12內建電勢差內建電勢差VD，加在，加在PN結兩結兩邊的電位差，勢壘高度為邊的電位差，勢壘高度為eVD。為什么半導體為什么半導體PN結可作為靈結可作為靈敏區？敏區？1）在）在PN結區可移動的載流子基結區可移動的載流子基本被耗盡，只留下電離了的正本被耗盡，只留下電離了的正負電中心，對電導率無貢獻，負電中心，對電導率無貢獻，其具有很高的電阻率。其具有很高的電阻率。2）PN結加上一定負偏壓，耗盡結加上一定負偏壓，耗盡區擴展，可達全耗盡，死層極區擴展，可達全耗盡，死層極薄

18、，外加電壓幾乎全部加到薄，外加電壓幾乎全部加到PN結上，形成很高電場。結上，形成很高電場。3）漏電流很小，有很好的信噪）漏電流很小，有很好的信噪比。比。2022-4-30中國科大 汪曉蓮 13加反向電壓，加反向電壓，N區接正，區接正， P區接負，外加電場方向與內建電場方區接負，外加電場方向與內建電場方向相同，使耗盡層增厚，漂移運動增強。當帶電粒子穿過時產生向相同，使耗盡層增厚，漂移運動增強。當帶電粒子穿過時產生電子空穴對，在高電場下分別向正負電極漂移，產生信號。信電子空穴對，在高電場下分別向正負電極漂移，產生信號。信號幅度正比于電子空穴對數目，正比于入射粒子損失能量。所以號幅度正比于電子空穴對

19、數目，正比于入射粒子損失能量。所以加反向偏壓的加反向偏壓的PN結就是結型半導體探測器的靈敏區。結就是結型半導體探測器的靈敏區。2022-4-30中國科大 汪曉蓮 14 非平衡載流子：非平衡載流子：入射粒子產生的載流子。類似氣體電入射粒子產生的載流子。類似氣體電離，產生一對電子空穴對所需消耗的能量稱作平均電離離，產生一對電子空穴對所需消耗的能量稱作平均電離能能 0 0， 0 0與與EgEg一樣與半導體材料和溫度有關。一樣與半導體材料和溫度有關。 復合和俘獲：復合和俘獲：1 1）導帶上的電子直接被滿帶中空穴俘獲；）導帶上的電子直接被滿帶中空穴俘獲；2 2）通過晶體中雜質和晶格缺陷在禁帶內的中間能級

20、）通過晶體中雜質和晶格缺陷在禁帶內的中間能級 復合中心和俘獲中心進行復合中心和俘獲中心進行溫度溫度硅硅Si的的 0鍺鍺Ge的的 0室溫室溫300K3.62eV2.80eV低溫低溫77K3.76eV2.96eV2022-4-30中國科大 汪曉蓮 15 載流子壽命：載流子壽命：非平衡載流子數目非平衡載流子數目N N0 0隨時間按指數規律隨時間按指數規律衰減。衰減。 載流子漂移速度：載流子漂移速度： 擴散長度或俘獲長度：擴散長度或俘獲長度： 表示非平衡載流子從產生到消失前平均移動的距離。表示非平衡載流子從產生到消失前平均移動的距離。 擴散長度必須大于探測器靈敏區厚度。擴散長度必須大于探測器靈敏區厚度

21、。0tNNe ：非平衡載流子從產生到復合或非平衡載流子從產生到復合或俘獲前平均存在的時間俘獲前平均存在的時間nnnpppEE電子漂移速度電子遷移率空穴漂移速度空穴遷移率T：單位場強作用下載流子的平均漂移速度，與溫度、場強和雜質濃度有關。在一定溫度和場強范圍內有經驗公式，式中 和 是常數，與材料有關，對電子、空穴其值不同。,.,.n pn pn pn pn pLE2022-4-30中國科大 汪曉蓮 16 對半導體探測器材料的基本要求對半導體探測器材料的基本要求材料要求材料要求物理要求物理要求L n,p大或大或 n,p大大電荷收集效率高電荷收集效率高能量分辨好能量分辨好Eg大大使用溫度高使用溫度高

22、抗輻照性能好抗輻照性能好雜質濃度低雜質濃度低靈敏區厚度大靈敏區厚度大原子序數大原子序數大 射線探測效率高射線探測效率高材料和加工工藝合適材料和加工工藝合適可生產有用的探測器可生產有用的探測器2022-4-30中國科大 汪曉蓮 174-2 能量測量半導體探測器能量測量半導體探測器一、一、PN結型探測器結型探測器n擴散型擴散型將一種類型的雜質擴散到另一種類型的半導體內形成將一種類型的雜質擴散到另一種類型的半導體內形成PN結。通常是把五價磷在高溫下（結。通常是把五價磷在高溫下（8001000oC)擴散擴散到到P型硅中，擴散深度由調節溫度和時間來控制。從型硅中，擴散深度由調節溫度和時間來控制。從而在而

23、在P型硅表面形成高濃度的型硅表面形成高濃度的N層，在層，在P型硅和型硅和N型硅型硅交界處就得到了交界處就得到了PN結結。結區厚結區厚12 m，電極和信號引出的歐姆接觸利用真空，電極和信號引出的歐姆接觸利用真空沉積或化學鍍等方法實現。沉積或化學鍍等方法實現。優點：優點：漏電流小，對輻射損傷不靈敏。漏電流小，對輻射損傷不靈敏。1.缺點：缺點：死層較厚，不易獲得大面積死層較厚，不易獲得大面積PN結，生產過程中結，生產過程中高溫處理，導致載流子壽命減小，影響能量分辨率高溫處理，導致載流子壽命減小，影響能量分辨率。2022-4-30中國科大 汪曉蓮 18 金硅面壘探測器金硅面壘探測器 優點：優點：窗薄，

24、噪聲低，不經高溫處理，能量分窗薄，噪聲低，不經高溫處理，能量分辨率高，能量線性響應好。工藝簡單，成品率辨率高，能量線性響應好。工藝簡單，成品率高，易于制得大面積探測器。高，易于制得大面積探測器。 主要用于測量質子、主要用于測量質子、 粒子和重離子等帶電粒子。粒子和重離子等帶電粒子。2022-4-30中國科大 汪曉蓮 19 制備：制備：利用加速器產生一定能量（利用加速器產生一定能量（5100KeV)的雜的雜質正離子束，直接穿透半導體表面形成質正離子束，直接穿透半導體表面形成PN結。常用結。常用硼離子束轟擊硼離子束轟擊N型硅，或用磷離子束轟擊型硅，或用磷離子束轟擊P型硅，調型硅，調節離子束能量和強

25、度，得到所需的摻雜深度和濃度。節離子束能量和強度，得到所需的摻雜深度和濃度。 優點：優點：入射窗薄，薄至入射窗薄，薄至30-40nm。 缺點：缺點：能量分辨率不如面壘型，但比擴散型好。入能量分辨率不如面壘型，但比擴散型好。入射離子束產生強的輻射損傷，形成大量復合和俘獲射離子束產生強的輻射損傷，形成大量復合和俘獲中心。使用較低能量的離子束和在一定溫度下退火，中心。使用較低能量的離子束和在一定溫度下退火，可以消除這一效應。可以消除這一效應。2022-4-30中國科大 汪曉蓮 20 由于鋰在由于鋰在Si和和Ge中的電離能較中的電離能較低，在室溫下鋰全部電離，電低，在室溫下鋰全部電離，電子進入導帶內起

26、施主作用。子進入導帶內起施主作用。Li半徑小于半徑小于Si和和Ge的晶格距離很的晶格距離很多，在電場作用下很容易進入多，在電場作用下很容易進入半導體內部，向深處擴散。半導體內部，向深處擴散。Li 和和P型受主雜質型受主雜質B-由于靜電作用由于靜電作用形成穩定的形成穩定的 (Li B-)對，達到補對，達到補償的目的。形成電阻率很高的償的目的。形成電阻率很高的本征層本征層(I型，亦稱型，亦稱I區區)，本征層本征層電場很強，是探測器的靈敏區電場很強，是探測器的靈敏區。2022-4-30中國科大 汪曉蓮 21 鋰漂移型探測器是準本征材料和鋰漂移型探測器是準本征材料和PN結的組合，結的組合，常稱作常稱作

27、NIP探測器。探測器。 本征層厚度：本征層厚度： 最大優點是靈敏層厚，可達最大優點是靈敏層厚，可達0.56mm，適于用，適于用作作 和和 x射線測量。射線測量。 硅鋰探測器硅鋰探測器Si(Li)，可在室溫下工作，在液氮溫，可在室溫下工作，在液氮溫度下性能改善。主要探測度下性能改善。主要探測 射線和低能射線和低能 射線，射線，E 1MeV的電子，厚度為的電子，厚度為100200 m； 探測質子和重粒子，厚度很薄探測質子和重粒子，厚度很薄 十幾十幾 m；面壘型；面壘型 4 m。 因非耗盡層可忽略，結電容是常數，所以其輸出幅度穩定，上因非耗盡層可忽略，結電容是常數，所以其輸出幅度穩定，上升時間快，一

28、般為十幾升時間快，一般為十幾ns，好的可小到，好的可小到2ns。可以用于飛行時間。可以用于飛行時間測量和其他要求快的地方。測量和其他要求快的地方。2022-4-30中國科大 汪曉蓮 342. 2. 位置靈敏探測器位置靈敏探測器 在半導體背面做一層高阻層在半導體背面做一層高阻層(10-20K )，在該層兩端加上，在該層兩端加上電壓。若電壓。若A端接地端接地B端端接電荷接電荷靈敏放大器，因放大器輸入靈敏放大器，因放大器輸入阻抗很低，則阻抗很低，則B端輸出信號正端輸出信號正比于入射粒子位置，稱作比于入射粒子位置，稱作“位置信號位置信號”。由。由B端輸出的端輸出的電流信號電流信號為為0ABABRIIR

29、RAAABABRLxRRLLLAABRxVEERRL入射粒子能量入射粒子能量2022-4-30中國科大 汪曉蓮 353. 電流型探測器電流型探測器 類似電流脈沖電離室情況，電流型半導體探測器用類似電流脈沖電離室情況，電流型半導體探測器用 于探測脈沖射線源（即快瞬時、高強度的于探測脈沖射線源（即快瞬時、高強度的 、n、X） 的強度和時間行為。所以具有線性響應好、輸出脈的強度和時間行為。所以具有線性響應好、輸出脈 沖電流與輻照劑量率成正比，輸出電流大、時間響沖電流與輻照劑量率成正比，輸出電流大、時間響 應快等特點，上升時間小于應快等特點，上升時間小于10ns。 三種制造工藝三種制造工藝 第一種是用

30、化學鍍銅工藝和面壘工藝第一種是用化學鍍銅工藝和面壘工藝 第二種是雙擴散第二種是雙擴散NIP電流型探測器電流型探測器 第三種是離子注入第三種是離子注入NIP電流型探測器電流型探測器 2022-4-30中國科大 汪曉蓮 364. 4. 內放大探測器內放大探測器類似晶體三極管的放大型和工作在雪類似晶體三極管的放大型和工作在雪崩狀態的崩狀態的PN結型，類似氣體正比計結型，類似氣體正比計數器的雪崩二極管發展很快并已獲得數器的雪崩二極管發展很快并已獲得應用。主要是利用工藝和結構上的辦應用。主要是利用工藝和結構上的辦法來達到既使電子倍增，又使噪聲增法來達到既使電子倍增，又使噪聲增加并不嚴重的目的。加并不嚴重

31、的目的。三種制作技術：擴散，離子注入（帶三種制作技術：擴散，離子注入（帶有擴散）以及外延。有擴散）以及外延。 面積約面積約25mm2，厚度對雙擴散法可達，厚度對雙擴散法可達150 m，雙外延法為，雙外延法為30 m，放大倍數，放大倍數為為10 80。對。對55Fe的的5.9KeVX射線得到射線得到600eV的能量分辨。的能量分辨。2022-4-30中國科大 汪曉蓮 374-3 半導體探測器的主要參量半導體探測器的主要參量一、窗厚一、窗厚 定義：定義：粒子進入探測器靈敏區之前通過的非靈敏區叫窗粒子進入探測器靈敏區之前通過的非靈敏區叫窗或死層。窗厚會導致能量損失并使能量分辨變壞。或死層。窗厚會導致

32、能量損失并使能量分辨變壞。 金硅面壘型的窗金硅面壘型的窗：金層厚度硅的死層金層厚度硅的死層 一般金層厚一般金層厚20100 g/cm2，硅死層厚正比于，硅死層厚正比于 擴散型的窗擴散型的窗：通常為通常為0.5-2 m，較厚。，較厚。 離子注入型的窗離子注入型的窗：與離子束能量有關，可以很薄。對與離子束能量有關，可以很薄。對10K 的高阻硅，窗厚可做到的高阻硅，窗厚可做到0.04 m。 鋰漂移型：鋰漂移型：從鋰擴散面入射，窗是厚的，達從鋰擴散面入射，窗是厚的，達0.1-0.3mm。但做成全耗盡型，從背面金層入射，窗較薄，達但做成全耗盡型，從背面金層入射，窗較薄，達0.1 m。 高純鍺：高純鍺：可

33、以象面壘型和離子注入型一樣做得較薄。可以象面壘型和離子注入型一樣做得較薄。lnBAV2022-4-30中國科大 汪曉蓮 38 靈敏區：靈敏區：是是PN結的勢壘區、耗盡層或者鋰漂移型的補償區。結的勢壘區、耗盡層或者鋰漂移型的補償區。 靈敏區的厚度靈敏區的厚度定義：定義：粒子垂直入射的靈敏區的厚度，記作粒子垂直入射的靈敏區的厚度，記作d。其確定了能探測的粒子的最大能量。其確定了能探測的粒子的最大能量。 對對PN結型結型： 普通的普通的PN結型靈敏區厚度可以從幾結型靈敏區厚度可以從幾 m-1mm。 高純鍺探測器因有很高的電阻率，可以加很高的偏壓，所高純鍺探測器因有很高的電阻率，可以加很高的偏壓，所以

34、靈敏區厚度可以做到幾以靈敏區厚度可以做到幾cm。 對鋰漂移型對鋰漂移型：靈敏區厚度包括本征補償層和向兩邊的外延，靈敏區厚度包括本征補償層和向兩邊的外延，由漂移過程決定。一旦做好以后基本為常數。由漂移過程決定。一旦做好以后基本為常數。 對對平面型平面型為為 0.5-10mm 對對同軸型同軸型為為 50-100mm 0.53()1.15()0.32()0.74()NSidVmNGedVmPSidVmPGedVm型型型型21011109VVZdD00DVVdV2022-4-30中國科大 汪曉蓮 39 近似情況下，半導體探測器相當于一個填充絕緣介質近似情況下，半導體探測器相當于一個填充絕緣介質的平板電

35、容器。的平板電容器。 鋰漂移探測器鋰漂移探測器d與工作電壓無關，與工作電壓無關，Cd接近于常數，一般接近于常數，一般為十幾到幾十為十幾到幾十pF。 PN結型結型Cd與工作電壓有關，一般為幾十到幾百與工作電壓有關，一般為幾十到幾百pF。4dSCdd介電常數，S探測器面積絕緣介質厚度211()()()()910 411.3dSSS cmd cmCFpFdd若，則424242421.9 10 /(/)3.2 10 /(/)1.37 10 /(/)2.12 10 /(/)dNdPdNdPCNSiVpF cmSCPSiVpF cmSCNGeVpF cmSCPGeVpF cmS型型型型2022-4-30中

36、國科大 汪曉蓮 40 同軸型探測器的結電容：同軸型探測器的結電容：十幾至幾十十幾至幾十pF 探測器輸出脈沖幅度與電容有關，探測器輸出脈沖幅度與電容有關， 為了得到結電容較小的探測器，應選用電阻率高的材為了得到結電容較小的探測器，應選用電阻率高的材料，使用高的工作偏壓和減小探測器面積。料，使用高的工作偏壓和減小探測器面積。 結電容隨工作電壓變化，造成能量相同的的入射粒子結電容隨工作電壓變化，造成能量相同的的入射粒子在靈敏區產生相同的電子空穴對，但輸出脈沖幅度在靈敏區產生相同的電子空穴對，但輸出脈沖幅度卻可能不同，所以卻可能不同，所以PN結型半導體探測器必須使用電荷結型半導體探測器必須使用電荷靈敏

37、放大器。靈敏放大器。212lndlCrrdQUC2022-4-30中國科大 汪曉蓮 41 要求：要求：二極管伏安特性。二極管伏安特性。 正向電流上升很陡；正向電流上升很陡； 反向電流越小越好。反向電流越小越好。 反向電流三個來源反向電流三個來源：1）擴散電流：）擴散電流：由靈敏區外少由靈敏區外少數載流子擴散到靈敏區內產數載流子擴散到靈敏區內產生，一般很小。但若兩電極生，一般很小。但若兩電極不是歐姆接觸，而是形不是歐姆接觸，而是形成另外的成另外的PN結，將使結，將使反向電流大為增加。反向電流大為增加。2022-4-30中國科大 汪曉蓮 422）體電流：）體電流：由靈敏區內復合和俘獲中心因本征熱激

38、發產由靈敏區內復合和俘獲中心因本征熱激發產生的載流子在外電場作用下向兩極運動，形成反向體生的載流子在外電場作用下向兩極運動，形成反向體電流。它與靈敏區內本征載流子數目成正比，即與本電流。它與靈敏區內本征載流子數目成正比，即與本征載流子濃度與靈敏區體積以及溫度成正比。征載流子濃度與靈敏區體積以及溫度成正比。 ：少數載流子壽命。體電流是反向電流的主要部分，：少數載流子壽命。體電流是反向電流的主要部分， 在低溫下工作可以大大減小。在低溫下工作可以大大減小。3）表面漏電流：）表面漏電流：沿探測器表面的漏電流，與制造工藝、沿探測器表面的漏電流，與制造工藝、表面處理、沾污程度、環境條件等因素有關。會直接表

39、面處理、沾污程度、環境條件等因素有關。會直接影響擊穿電壓。制造時可采用增加表面溝槽或保護環影響擊穿電壓。制造時可采用增加表面溝槽或保護環技術，使用時保證干燥和表面清潔，以減少漏電流。技術，使用時保證干燥和表面清潔，以減少漏電流。2ienIds體92621.2 10(/)1.9 10(/)IdSiJA cmIdGeJA cm體體體體ss2022-4-30中國科大 汪曉蓮 43五、能量分辨率和線性五、能量分辨率和線性 影響能量分辨率的主要因素：影響能量分辨率的主要因素：1）由電離效應產生的電子空穴對的統計漲落：）由電離效應產生的電子空穴對的統計漲落：02.354EEF電材料材料Z介電常數介電常數密

40、度密度(g/cm3)平均電離功平均電離功 0(eV)法諾因子法諾因子F300K77K理論理論實測實測Si1411.72.333.623.760.0500.069Ge2215.75.332.802.960.1210.058CdTe48，524.460.04302.3542.354FFRNE2022-4-30中國科大 汪曉蓮 442）入射粒子與原子核的散射和核反應的統計漲落）入射粒子與原子核的散射和核反應的統計漲落 造成收集電荷的統計漲落迭加在電離起伏上。造成收集電荷的統計漲落迭加在電離起伏上。3）朗道效應和溝道效應）朗道效應和溝道效應 薄的薄的dE/dx探測器或高能粒子的電離損失朗道效應。探測器

41、或高能粒子的電離損失朗道效應。 晶格的特殊方向上單位距離上原子數較少，重帶電粒子沿晶格的特殊方向上單位距離上原子數較少，重帶電粒子沿該方向入射時電離損失減少溝道效應。該方向入射時電離損失減少溝道效應。4）電子空穴在探測器內的俘獲和復合；）電子空穴在探測器內的俘獲和復合； 由于俘獲和復合造成載流子收集不完全影響能量分辨。由由于俘獲和復合造成載流子收集不完全影響能量分辨。由于俘獲和復合中心分布不均勻造成輸出脈沖起伏，與俘獲于俘獲和復合中心分布不均勻造成輸出脈沖起伏，與俘獲中心的類型、數量和空間分布有關，也與入射粒子種類和中心的類型、數量和空間分布有關，也與入射粒子種類和能量有關。要求材料的俘獲長度

42、遠大于靈敏區厚度。能量有關。要求材料的俘獲長度遠大于靈敏區厚度。5）探測器和放大器的噪聲；）探測器和放大器的噪聲； 探測器的噪聲主要來源于反向漏電流的起伏。降低工作溫探測器的噪聲主要來源于反向漏電流的起伏。降低工作溫度可以減小噪聲。度可以減小噪聲。6）探測器窗厚、放射源厚度影響等等。）探測器窗厚、放射源厚度影響等等。 窗厚的影響對低能重粒子明顯，使用薄窗探測器。窗厚的影響對低能重粒子明顯，使用薄窗探測器。1 24 30.7()EZAKeV核2022-4-30中國科大 汪曉蓮 45 能量線性很好能量線性很好 半導體的平均電離功與入射粒子的能量和種類以及探半導體的平均電離功與入射粒子的能量和種類以

43、及探測器的類型無關，只要所產生的電子空穴對全部被收測器的類型無關，只要所產生的電子空穴對全部被收集，探測器輸出脈沖與入射粒子能量成正比。集，探測器輸出脈沖與入射粒子能量成正比。 半導體探測器對各種粒子都有良好的能量線性。半導體探測器對各種粒子都有良好的能量線性。 ：收集效率收集效率 但對低能重粒子，特別是重離子和核裂片，呈現能量但對低能重粒子，特別是重離子和核裂片，呈現能量非線性。輸出脈沖高度非線性。輸出脈沖高度U與入射粒子能量與入射粒子能量E關系：關系：0QE eVCCEU ：常數常數， ：脈沖高度虧損脈沖高度虧損2022-4-30中國科大 汪曉蓮 46類似平板固體電離室。在電場作用下，入射

44、粒子產生的電子空穴類似平板固體電離室。在電場作用下，入射粒子產生的電子空穴分別向正負電極運動。設半導體探測器內電場均勻分布，其輸出分別向正負電極運動。設半導體探測器內電場均勻分布，其輸出電壓脈沖和電流脈沖可以用氣體電離室的公式表示電壓脈沖和電流脈沖可以用氣體電離室的公式表示由于電子和空穴的漂移速度不同，它們對輸出脈沖的貢獻不同，由于電子和空穴的漂移速度不同，它們對輸出脈沖的貢獻不同，輸出脈沖形狀與產生電離的位置輸出脈沖形狀與產生電離的位置X X0 0有關。有關。qdxdQd2022-4-30中國科大 汪曉蓮 47 三種情況的電壓脈沖幅度都是三種情況的電壓脈沖幅度都是 實際上入射粒子并不是只在實

45、際上入射粒子并不是只在X0處產生電子空穴對，處產生電子空穴對，而是沿入射路徑電離，因而電壓脈沖上升時間最大而是沿入射路徑電離，因而電壓脈沖上升時間最大值值T由空穴最大漂移時間由空穴最大漂移時間T2決定。決定。 上式對全耗盡的鋰漂移型適用，上式對全耗盡的鋰漂移型適用，T為幾十到幾百為幾十到幾百ns。 對對PN結型，由于結區電場不均勻，上述推導不成立。結型，由于結區電場不均勻，上述推導不成立。金硅面壘探測器的金硅面壘探測器的T為幾到十幾為幾到十幾ns。00N eUC 220pppdddTTwEV2022-4-30中國科大 汪曉蓮 48 半導體探測器的輻照損傷很嚴重。因為輻照在半導體中半導體探測器的

46、輻照損傷很嚴重。因為輻照在半導體中會造成晶格缺陷，這些缺陷會成為俘獲中心，從而降低會造成晶格缺陷，這些缺陷會成為俘獲中心，從而降低載流子的壽命，使電阻率發生變化，材料性能發生變化，載流子的壽命，使電阻率發生變化，材料性能發生變化，導致探測器性能變差。導致探測器性能變差。 輻射損傷與輻射種類、劑量率以及輻照時間和條件有關。輻射損傷與輻射種類、劑量率以及輻照時間和條件有關。 面壘型和擴散型：裂變產物面壘型和擴散型：裂變產物108/cm2 粒子粒子109 1011 /cm2 快中子快中子1011 1014/cm2 慢中子慢中子 1015/cm2 性能沒有明顯變化性能沒有明顯變化 射線射線108/cm

47、2s。 5.體積可做得很小。體積可做得很小。 缺點缺點對輻射損傷比較靈敏對輻射損傷比較靈敏, 受到強輻射其性能將變差。受到強輻射其性能將變差。 體電流密度體電流密度/I VV體積體積(cm3)， 粒子流粒子流(粒子粒子/cm2)，對最小電離的質子和對最小電離的質子和介子介子 21017A/cm2022-4-30中國科大 汪曉蓮 5612pitch Single Sided Strip Detectorusing n-type silicon with a resistivity of = 2 Kcm results in a depletion voltage 150 VResolution

48、depends on the pitch p (distance from strip to strip)typical pitch values are 20 m 150 m 50 m pitch results in 14.4 m resolution.300mDouble sided silicon detectorsSiO2Al2022-4-30中國科大 汪曉蓮 57Silicon strip detector2022-4-30中國科大 汪曉蓮 582022-4-30中國科大 汪曉蓮 592022-4-30中國科大 汪曉蓮 602022-4-30中國科大 汪曉蓮 612022-4-30

49、中國科大 汪曉蓮 62兩個表面的部位最高。在水平方向, 電位分布是靠近正極n+ 最低, 遠離n+ 方向的電位高。當帶電粒子穿過探測器時產生電子空穴對, 電子就會落入低電位的谷中,然后沿著電場的水平方向分量向電位最低的正極微條n+ 漂移, 形成電信號。信號經過前端電子學電路放大, 數字化讀入計算機中, 如圖9 的示意圖。通過測量電子的漂移時間(從某一個被定義等級的p + 微條到正極n+ 微條) 及被分割開的n+ 讀出微條上的坐標就得到了入射粒子的位置信息。它很像氣體漂移室, 但它的優點是可以大大節省電子學經費。另外, 電子在耗盡區漂移很長距離才到達面積很小的正電極, 電極之間的電容很小, 因此噪

50、聲減小, 有利于提高能量分辨率。還有, 普通的半導體探測器的計數率一般在幾十kHz 以下, 硅漂移室由于其電容2022-4-30中國科大 汪曉蓮 632022-4-30中國科大 汪曉蓮 64三、像素探測器（三、像素探測器（Pixel Detector）2022-4-30中國科大 汪曉蓮 65Pixel Detector探測器每個像素和探測器每個像素和電子學集成在相同電子學集成在相同的基片上叫的基片上叫單一型單一型像素探測器像素探測器。2022-4-30中國科大 汪曉蓮 66CCD 已經使用幾十年了已經使用幾十年了, 過去多用在光測量和攝像機上過去多用在光測量和攝像機上, 即使在高即使在高能物理

51、中的應用能物理中的應用, 也是作為火花室和流光室的徑跡圖像記錄。也是作為火花室和流光室的徑跡圖像記錄。近些年科學家們已直接把它用作高能物理探測器近些年科學家們已直接把它用作高能物理探測器, 如如SLD VXD3 探探測器測器, 采用采用96CCDS 3.2 108 = 3.07 108 個像素個像素(20 m20 m) 每個每個CCD 讀出通過讀出通過4 個輸出結個輸出結, 8 位位FADC, 全部讀出時間是全部讀出時間是200ms。日本日本KEK 計劃用它來作為未來實驗的頂點探測器計劃用它來作為未來實驗的頂點探測器, 位置分辨率設計位置分辨率設計為為2 m 。 CCD 作為粒子探測器作為粒子

52、探測器, 探測的不再是光探測的不再是光, 而是帶電粒子而是帶電粒子, 所以它的結所以它的結構也有些變化。當帶電粒子射入探測器時構也有些變化。當帶電粒子射入探測器時, 產生電子空穴對產生電子空穴對, 電荷傳電荷傳輸在輸在CCD 很薄的耗盡區內進行。很薄的耗盡區內進行。CCD的結構是在一塊硅片上集成很多的的結構是在一塊硅片上集成很多的MOS(金屬氧化物半導金屬氧化物半導體體)器件，如在器件，如在Si上生成一層上生成一層SiO2絕緣層，上面再沉積一層金屬絕緣層，上面再沉積一層金屬Pb，每個每個MOS器件類似一個小半導體探測器。器件類似一個小半導體探測器。現代的現代的CCD有線型的有線型的, 還有面型

53、的還有面型的; 從原理結構上分有從原理結構上分有pn-CCD, 也也有有CMOS型的。型的。2022-4-30中國科大 汪曉蓮 67PNPN結結CCDCCD結構圖結構圖 MOS CCDMOS CCD的結構圖的結構圖 雙相雙相CCDCCD的結構的結構 2022-4-30中國科大 汪曉蓮 68CCD的工作原理的工作原理CCD的單元很小，只有幾個的單元很小，只有幾個 m2, 間距間距35 m，相鄰，相鄰單元加不同電壓時會使它們收集的電荷相互轉移，單元加不同電壓時會使它們收集的電荷相互轉移，加加一組三重周期性變化的驅動脈沖電壓，使電荷定向移一組三重周期性變化的驅動脈沖電壓，使電荷定向移向邊緣的信號輸出

54、電極。因為信號輸出電極及讀出電向邊緣的信號輸出電極。因為信號輸出電極及讀出電子學路數都少，因此這種探測器的信號讀出比較慢。子學路數都少，因此這種探測器的信號讀出比較慢。CCD的靈敏度較低，只有達到的靈敏度較低，只有達到103電子電子/單元的電荷才單元的電荷才能被記錄，故常要與多級微通道倍增器組合使用。能被記錄，故常要與多級微通道倍增器組合使用。2022-4-30中國科大 汪曉蓮 694-5 半導體探測器的應用半導體探測器的應用一、優點：一、優點：能量線性好能量線性好。能量分辨高能量分辨高。 如對如對5.3MeV 粒子，能量分辨粒子，能量分辨 E=10.8KeV(0.2%)，超過電離室；，超過電離室； 對對1.33MeV 射線，能量分辨射線，能量分辨 E=1.3KeV(0.13%)超過超過NaI(Tl)； 對對5.9KeVx射線，能量分辨射線，能量分辨 E=150eV(1.4%)，超過正比計數器。，超過正比計數器。時間響應快，時間分辨好時間響應快，時間分辨好。脈沖上升時間短，脈沖上升時間短，ns量級，可用于時間量級，可用于時間和快符合測量。和快符合測量。窗薄，死層小窗薄，死層小。