半導(dǎo)體探測(cè)器.ppt

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1、第五章半導(dǎo)體探測(cè)器§5-1半導(dǎo)體探測(cè)器基礎(chǔ)§5-2硅微條探測(cè)器的結(jié)構(gòu)和原理§5-3半導(dǎo)體探測(cè)器的發(fā)展§5-4半導(dǎo)體探測(cè)器的應(yīng)用1§5-1半導(dǎo)體探測(cè)器基礎(chǔ)一、半導(dǎo)體的基本知識(shí)1.導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶物體導(dǎo)電是物體內(nèi)電子在外電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。由于電場(chǎng)力對(duì)電子的作用，使電子的運(yùn)動(dòng)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(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)上。滿帶：能級(jí)已被電子所占滿，一般外電場(chǎng)作用時(shí)，其電子不形成電流，對(duì)導(dǎo)電沒有貢獻(xiàn)，亦稱價(jià)帶。導(dǎo)帶：能帶被電子部分占滿，在外電場(chǎng)作用下，電子從外電場(chǎng)吸收能量躍遷到未被電子占據(jù)的能級(jí)上去，形成電流，起導(dǎo)電作用。禁帶：滿帶和導(dǎo)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(dǎo)體和絕緣體之間的差別在于禁帶寬度不同：半導(dǎo)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(guān)。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(dǎo)體的滿帶完全被電子占滿，導(dǎo)帶中沒有電子。在熱力學(xué)溫度為零時(shí)，即使有外電場(chǎng)作用，它們并不導(dǎo)電。但是當(dāng)溫度升高或有光照時(shí)，半導(dǎo)體滿帶中少量電子會(huì)獲得能量而被激發(fā)到導(dǎo)帶上，這些電子在外電場(chǎng)作用下將參與導(dǎo)電。同時(shí)滿帶中留下的空穴也參與導(dǎo)電。32.電荷載流子及其在電場(chǎng)中的遷移載流子：是電子和空穴的統(tǒng)稱。在單位時(shí)間內(nèi)，因受熱激發(fā)而產(chǎn)

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

4、，來改變半導(dǎo)體材料的性能。N型（電子型）半導(dǎo)體：導(dǎo)帶內(nèi)電子運(yùn)動(dòng)。P型（空穴型）半導(dǎo)體：滿帶內(nèi)空穴運(yùn)動(dòng)。5摻入五價(jià)元素：P(磷)、As(砷)、Sb(銻)、Li(鋰）等。五價(jià)元素原子的第5個(gè)價(jià)電子都激發(fā)到導(dǎo)帶中參與導(dǎo)電，五價(jià)元素原子成為正離子，是不能移動(dòng)的正電中心。這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電主要是電子貢獻(xiàn)，稱作電子型或N型半導(dǎo)體。把電子貢獻(xiàn)給導(dǎo)帶的雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)，雜質(zhì)能級(jí)叫施主能級(jí)，位于導(dǎo)帶底部。摻入三價(jià)元素：B(硼)、Al(鋁)、Ga(鎵)、In(銦)。三價(jià)元素原子有從附近吸收一個(gè)電子的趨勢(shì)，而在價(jià)帶中產(chǎn)生空穴。在室溫下三價(jià)元素原子幾乎都形成負(fù)離子，是不能移動(dòng)的負(fù)電中心，這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電主要是空穴的

5、貢獻(xiàn)，稱作空穴型或P型半導(dǎo)體。能接受價(jià)帶中電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴的雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)。在價(jià)帶上面形成的新的能級(jí)叫受主能級(jí)，位于價(jià)帶的頂部。6對(duì)于摻雜半導(dǎo)體，除了本征激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)以外，還有施主雜質(zhì)提供的電子和受主雜質(zhì)提供的空穴，所以電子和空穴的濃度不相等。結(jié)構(gòu)缺陷點(diǎn)缺陷：晶格上出現(xiàn)空位或應(yīng)該空位處出現(xiàn)了原子。線缺陷：晶體受應(yīng)力作用發(fā)生錯(cuò)位（沿平面滑移）。晶格缺陷也能俘獲或放出電子，相當(dāng)于在晶體禁帶中附加受主或施主能級(jí)，也起受主或施主作用。74、PN結(jié)（pnjunction）結(jié)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(jié)合后，電子由N區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散與空穴復(fù)合；空穴由P區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散與電子復(fù)合

6、。擴(kuò)散的結(jié)果形成PN結(jié)。在PN結(jié)區(qū)，電子空穴很少，剩下的雜質(zhì)正負(fù)離子形成空間電荷區(qū)，其內(nèi)建電場(chǎng)方向由N區(qū)指向P區(qū)，阻止電子、空穴繼續(xù)擴(kuò)散，并造成少數(shù)載流子的反向漂移運(yùn)動(dòng)。當(dāng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和反向漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到平衡時(shí)，P區(qū)或N區(qū)的電子空穴濃度就不再變化。這個(gè)由不可移動(dòng)的雜質(zhì)離子組成的空間電荷區(qū)，即PN結(jié)區(qū)，對(duì)電導(dǎo)率沒有貢獻(xiàn)，而載流子的密度非常低，亦稱耗盡區(qū)，阻擋層，勢(shì)壘區(qū)。8半導(dǎo)體探測(cè)器的靈敏區(qū)半導(dǎo)體PN結(jié)可作為靈敏區(qū)1）在PN結(jié)區(qū)可移動(dòng)的載流子基本被耗盡，只留下電離了的正負(fù)電中心，對(duì)電導(dǎo)率無貢獻(xiàn)，其具有很高的電阻率。2）PN結(jié)加上一定負(fù)偏壓，耗盡區(qū)擴(kuò)展，可達(dá)全耗盡，死層極薄，外加電壓幾乎全部加到PN

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