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《核輻射探測(cè)器(半導(dǎo)體探測(cè)器).doc》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。
1、半導(dǎo)體探測(cè)器半導(dǎo)體探測(cè)器是一種以半導(dǎo)體材料作為探測(cè)介質(zhì)的新型核輻射探測(cè)器，它有很好的能量分辨能力。隨著半導(dǎo)體材料和低噪聲電子學(xué)的發(fā)展以及各種應(yīng)用的要求,先后研制出了P-N結(jié)型探測(cè)器、鋰漂移型探測(cè)器、高純鍺探測(cè)器、化合物半導(dǎo)體探測(cè)器以及其它類型半導(dǎo)體探測(cè)器。第一節(jié)半導(dǎo)體的基本知識(shí)和半導(dǎo)體探測(cè)器的工作原理根據(jù)物質(zhì)導(dǎo)電能力,物質(zhì)可分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。物質(zhì)的導(dǎo)電能力可用電阻率ρ來(lái)表示,單位為Ω·cm。導(dǎo)體的電阻率在10-5Ω·cm以下,絕緣體的電阻率在1014Ω·cm以上,半導(dǎo)體的電阻率介于它們之間
2、,一般在(10-2~10-9)Ω·cm范圍內(nèi)。半導(dǎo)體通常以晶體形式存在,晶體可分為單晶體與多晶體。在單晶體中,所有原子都連續(xù)地按同一規(guī)律整齊地排列,這稱為晶格。多晶體是由許多小晶體顆粒雜亂地堆積起來(lái)的,因此多晶材料是不均勻的。半導(dǎo)體探測(cè)器多是由單晶材料制造的。一、半導(dǎo)體材料的電特性在單晶中，原子緊挨形成晶格排列,相互之間有電磁力作用。因此晶體中電子的能量就和孤立原子不同。孤立原子中的電子只能存在于一定能級(jí)上，能級(jí)之間是禁區(qū)，電子不能存在。對(duì)于單晶體，原子間存在著電磁力，相應(yīng)孤立原子的能級(jí)就分裂成很
3、多十分靠近的新能級(jí)，由于單位體積內(nèi)原子數(shù)目非常多，這些分裂彼此之間非?？拷?，可以看作連續(xù)的，這種連續(xù)的能級(jí)形成一個(gè)能帶。導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的能帶如圖3.1所示圖3.1半導(dǎo)體、導(dǎo)體和絕緣體的能帶圖圖3.1所示的滿帶是由各孤立原子的基態(tài)分裂出來(lái)的能級(jí),導(dǎo)帶是由孤立原子各激發(fā)態(tài)分裂出來(lái)的能級(jí)。滿帶和導(dǎo)帶之間的禁區(qū)稱為禁帶,禁帶寬度稱為能隙,用Eg表示,單位為eV。半導(dǎo)體與絕緣體、導(dǎo)體之間的差別在于禁帶寬度不一樣。由于導(dǎo)體不存在禁帶,滿帶和導(dǎo)帶交織在一起,導(dǎo)電性能好；絕緣體的禁帶最寬,約(2~10)eV
4、,導(dǎo)電性能最差；半導(dǎo)體的禁帶較窄。約（0.1~2.2）eV,導(dǎo)電性能比絕緣體好,而次于導(dǎo)體。用作半導(dǎo)體探測(cè)器材料的性能列于表3.1中。二、本征半導(dǎo)體理想的不含雜質(zhì)的半導(dǎo)體在無(wú)外界作用時(shí),導(dǎo)帶中的電子和滿帶中的空穴都應(yīng)由熱激發(fā)產(chǎn)生,而且電子數(shù)目嚴(yán)格地等于空穴數(shù)目,這樣的半導(dǎo)體材料稱為本征半導(dǎo)體。在有外界作用時(shí),如在光、熱或核輻射的作用下,滿帶中的電子就會(huì)獲得能量而被激發(fā)到導(dǎo)帶,這樣的電子如同自由電子一樣,能在晶體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，參與導(dǎo)電,這就是所謂電子型導(dǎo)電。滿帶中的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶而在滿帶中留下的空穴也參
5、與導(dǎo)電,這是因?yàn)闈M帶內(nèi)空穴很容易被鄰近原子的電子占據(jù),而這個(gè)失去電子的原子又產(chǎn)生一個(gè)新的空穴,從效果上看好像空穴移動(dòng)了,這就是空穴型導(dǎo)電。電子和空穴統(tǒng)稱為載流子。本征半導(dǎo)體中熱激發(fā)產(chǎn)生的載梳子稱為本征載流子。本征電子、空穴數(shù)目與溫度T和禁帶寬度Eg有關(guān)。T越高,Eg越小,產(chǎn)生載流子數(shù)越多。同時(shí),電子主穴相遇復(fù)的概率也就越大。在一定溫度下,產(chǎn)生率與復(fù)合率達(dá)到相對(duì)平衡,使半導(dǎo)體中保持一定數(shù)目的載流子。理想的完全不含雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料很難找到。現(xiàn)有的實(shí)用純度最高的半導(dǎo)體硅和鍺,其載流子濃度的經(jīng)驗(yàn)公式為：硅
6、:鍺:（3.2）式中n的下標(biāo)"i"表示本征材料。在室溫下(T=300K)，本征硅和鍺的載流子濃度為:硅：鍺：（3.3）由此可見(jiàn),由于半導(dǎo)體的能隙Eg較小,在室溫下,甚至在更低溫度下,也會(huì)產(chǎn)生本征載流子。三、P型和N型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能較差。為了提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能,人們常常利用半導(dǎo)體中存在的兩種導(dǎo)電機(jī)制,通過(guò)加入適當(dāng)?shù)碾s質(zhì),以獲得電子型半導(dǎo)體(N型半導(dǎo)體)或空穴型半導(dǎo)體（P型半導(dǎo)體）。我們以晶體硅為例,鍺和其它半導(dǎo)體材料具有與硅類似的性質(zhì)。當(dāng)在四價(jià)單晶硅中摻入少量的五價(jià)元素磷時(shí),磷原子將占
7、據(jù)晶格中的一個(gè)位置,替換一個(gè)常態(tài)硅原子。磷原子和相鄰四個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵[如圖3.2(a)所示],剩余的第五個(gè)價(jià)電子圖3.2占據(jù)晶體中的一個(gè)取代晶格位置的雜質(zhì)原子示意圖（a）四價(jià)硅中摻入五價(jià)磷；（b）四價(jià)硅申摻入三價(jià)硼與磷原子結(jié)合不很緊密，只要很小的能量（小于0.O5eV）就可以激發(fā)電離而成為自由電子，參預(yù)導(dǎo)電，而磷原子成為帶正電的離子。但這種雜質(zhì)離子不像空穴，它是固定在晶格中的不能遷移的,故并不參預(yù)導(dǎo)電。這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電主要是由電子貢獻(xiàn)的，所以叫電子型或N型半導(dǎo)體。這種把電子貢獻(xiàn)給導(dǎo)帶的雜質(zhì)稱為
8、“施主雜質(zhì)”。常用的施主雜質(zhì)有磷、砷、銻、鋰等。雜質(zhì)不是半導(dǎo)體晶格的組成部分,那些結(jié)合不緊密的多余電子可以在禁帶中占據(jù)一個(gè)位置,它們總是具有接近禁帶上部的能量,稱為"施主能級(jí)"〔如圖3.3（a）所示〕。對(duì)于鍺,施主能級(jí)距導(dǎo)帶底部?jī)H0.O5eV，對(duì)于硅、磷、砷距導(dǎo)帶底部是0.O4eV,銻是0.04eV,鋰是0.03eV。在硅中摻入少量三價(jià)元素硼，硼原子同樣會(huì)占據(jù)一個(gè)晶格位置，因它只有三個(gè)價(jià)電子，與鄰近四價(jià)硅原子只能形成三個(gè)共價(jià)鍵時(shí)〔如圖3.2（b）所示〕，因此有一個(gè)共價(jià)鍵是不飽和的，
