半導體探測器.ppt

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1、第五章半導體探測器§5-1半導體探測器基礎§5-2硅微條探測器的結構和原理§5-3半導體探測器的發(fā)展§5-4半導體探測器的應用1§5-1半導體探測器基礎一、半導體的基本知識1.導體、半導體、絕緣體的能帶物體導電是物體內電子在外電場作用下定向運動的結果。由于電場力對電子的作用，使電子的運動速度和能量發(fā)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能級上。滿帶：能級已被電子所占滿，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。導帶：能帶被電子部分占滿，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(jù)的能級上去，形成電流，起導電作用。禁帶：滿帶和導帶之間的

2、禁區(qū)稱為禁帶，其寬度也稱為能隙，記做Eg。2半導體和絕緣體之間的差別在于禁帶寬度不同：半導體禁帶較窄，Eg=0.1-2.2eV絕緣體禁帶較寬，Eg=5-10eV由于能帶取決于原子間距，所以Eg與溫度和壓力有關。一般禁帶寬度大的材料，耐高溫性能和耐輻照性能好。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而被激發(fā)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。32.電荷載流子及其在電場中的遷移載流子：是電子和空穴的統(tǒng)稱。在單位時間內，因受熱激發(fā)而產(chǎn)

3、生電子-空穴對的幾率為取決于禁帶寬度Eg和絕對溫度T的比。外加電場時，電子和空穴都運動，方向相反。若電場不高，漂移速度正比于外加電場Ev=?E，?=e?/2m為遷移率氣體探測器，電子的遷移率遠大于正離子；半導體中，電子和空穴的遷移率基本相同。當電場逐漸增高時，漂移速度隨電場增加變慢，并最后達到飽和。半導體探測器一般都工作在非常高的電場條件下，以得到電荷載流子的飽和速度，~107cm/s。當芯片厚度為0.1cm時，收集時間~10ns。具有非?？斓臅r間響應。43.本征半導體與摻雜理想的不含雜質的半導體稱為本征半導體，導帶上的電子數(shù)目嚴格等于滿帶上的空穴數(shù)目，n=p。摻雜：在本征半導體內摻入雜質

4、，來改變半導體材料的性能。N型（電子型）半導體：導帶內電子運動。P型（空穴型）半導體：滿帶內空穴運動。5摻入五價元素：P(磷)、As(砷)、Sb(銻)、Li(鋰）等。五價元素原子的第5個價電子都激發(fā)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電子貢獻，稱作電子型或N型半導體。把電子貢獻給導帶的雜質稱為施主雜質，雜質能級叫施主能級，位于導帶底部。摻入三價元素：B(硼)、Al(鋁)、Ga(鎵)、In(銦)。三價元素原子有從附近吸收一個電子的趨勢，而在價帶中產(chǎn)生空穴。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，這種半導體的導電主要是空穴的

5、貢獻，稱作空穴型或P型半導體。能接受價帶中電子而產(chǎn)生導電空穴的雜質稱為受主雜質。在價帶上面形成的新的能級叫受主能級，位于價帶的頂部。6對于摻雜半導體，除了本征激發(fā)產(chǎn)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，所以電子和空穴的濃度不相等。結構缺陷點缺陷：晶格上出現(xiàn)空位或應該空位處出現(xiàn)了原子。線缺陷：晶體受應力作用發(fā)生錯位（沿平面滑移）。晶格缺陷也能俘獲或放出電子，相當于在晶體禁帶中附加受主或施主能級，也起受主或施主作用。74、PN結（pnjunction）結合前，N區(qū)的電子比P區(qū)多，P區(qū)的空穴比N區(qū)多。結合后，電子由N區(qū)向P區(qū)擴散與空穴復合；空穴由P區(qū)向N區(qū)擴散與電子復合

6、。擴散的結果形成PN結。在PN結區(qū)，電子空穴很少，剩下的雜質正負離子形成空間電荷區(qū)，其內建電場方向由N區(qū)指向P區(qū)，阻止電子、空穴繼續(xù)擴散，并造成少數(shù)載流子的反向漂移運動。當擴散運動和反向漂移運動達到平衡時，P區(qū)或N區(qū)的電子空穴濃度就不再變化。這個由不可移動的雜質離子組成的空間電荷區(qū)，即PN結區(qū)，對電導率沒有貢獻，而載流子的密度非常低，亦稱耗盡區(qū)，阻擋層，勢壘區(qū)。8半導體探測器的靈敏區(qū)半導體PN結可作為靈敏區(qū)1）在PN結區(qū)可移動的載流子基本被耗盡，只留下電離了的正負電中心，對電導率無貢獻，其具有很高的電阻率。2）PN結加上一定負偏壓，耗盡區(qū)擴展，可達全耗盡，死層極薄，外加電壓幾乎全部加到PN

7、結上，形成很高電場。3）漏電流很小，有很好的信噪比。4）當有帶電粒子通過時，產(chǎn)生的電子-空穴對，在強電場的作用下，很快地遷移出耗盡區(qū)，在電極上產(chǎn)生信號。95.PN結的偏壓特性當PN結不加偏壓時，能起到一定的探測器作用，但性能很差自發(fā)形成的電場低，不利于收集；耗盡區(qū)薄，信噪比差當PN結加正向偏壓時，加很低的電壓，也會有很大的電流，信號將被淹沒，無法作為探測器加反向電壓，N區(qū)接正，P區(qū)接負，外加電場方向與內建電場方向相同，