第10章-半導(dǎo)體探測(cè)器.ppt

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1、第十章半導(dǎo)體探測(cè)器(semiconductordetectors)2whysemiconductordetector?氣體：分辨率較好探測(cè)效率太低閃爍體：探測(cè)效率很好分辨率不好載流子的形成環(huán)節(jié)太多，不斷損失產(chǎn)生載流子需要的能量半導(dǎo)體：分辨率很好：~0.1%@1.33MeV探測(cè)效率較高：比擬NaIw~30eVF:0.2~0.5w~300eVF:~1w~3eVF:~0.13半導(dǎo)體探測(cè)器（60年代初期發(fā)展起來）的特點(diǎn)：目前常見的半導(dǎo)體探測(cè)器材料有兩種：Si：純度不高，難以做成大的探測(cè)器（載流子壽命）適合帶電粒子測(cè)量（短射程）Ge：純度很高（高純鍺），可以做成較大的探測(cè)器適合γ能譜測(cè)

2、量能量分辨率高探測(cè)效率高，可與閃爍體相比擬緊湊較快的時(shí)間響應(yīng)尺寸較小，難以做大易受射線損傷本章討論的核心，仍然是關(guān)于載流子（電子－空穴對(duì)）的問題：產(chǎn)生（統(tǒng)計(jì)性）運(yùn)動(dòng)損失形成信號(hào)干擾……探測(cè)器性能4關(guān)于能帶（知識(shí)介紹）晶體內(nèi)電子的公有化晶體內(nèi)的外層電子不再?gòu)膶儆谀硞€(gè)特定的原子，而是從屬于整個(gè)晶體，可以在晶體內(nèi)任何原子核附近出現(xiàn)。E單個(gè)原子的能級(jí)晶體中：原子緊密、規(guī)則地排列相鄰原子間的作用顯著起來電子不僅受自身原子核的庫(kù)侖作用，也受周圍其它原子核的作用外層電子“公有化”E晶體中的能帶N個(gè)電子N個(gè)能級(jí)能級(jí)間隔：10-22eV5滿帶（價(jià)帶）、禁帶、空帶（導(dǎo)帶）6第十章半導(dǎo)體探測(cè)器§1

3、0.1半導(dǎo)體基本性質(zhì)§10.2均勻型半導(dǎo)體探測(cè)器§10.3P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器§10.4P-I-N型半導(dǎo)體探測(cè)器§10.5高純鍺HPGe半導(dǎo)體探測(cè)器§10.6鋰漂移和HPGe半導(dǎo)體探測(cè)器的性能與應(yīng)用§10.7其它半導(dǎo)體探測(cè)器?7§10.1半導(dǎo)體基本性質(zhì)一．本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體二．半導(dǎo)體作為探測(cè)介質(zhì)的物理性能常用半導(dǎo)體材料：Si、Ge(IV族元素)8一．本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體1.本征半導(dǎo)體(intrinsicsemiconductor)理想的、純凈的半導(dǎo)體。半導(dǎo)體中的電子和空穴密度嚴(yán)格相同，由熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生：禁帶寬度：室溫下的本征硅，本征鍺，半導(dǎo)體中的載流子密度小，且隨溫度變化

4、。價(jià)帶填滿了電子，導(dǎo)帶上沒有電子金屬中的電子密度：~1022/cm392.雜質(zhì)半導(dǎo)體在半導(dǎo)體材料中有選擇地?fù)饺胍恍╇s質(zhì)(ppm或更小)。雜質(zhì)原子在半導(dǎo)體禁帶中產(chǎn)生局部能級(jí)，影響半導(dǎo)體的性質(zhì)。103.施主雜質(zhì)和施主能級(jí)V族元素，如P、As、Sb。能級(jí)接近導(dǎo)帶底端能量；室溫下熱運(yùn)動(dòng)使雜質(zhì)原子離化；離化產(chǎn)生的電子進(jìn)入導(dǎo)帶，但價(jià)帶中并不產(chǎn)生空穴。摻有施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體中多數(shù)載流子是電子，叫做N型半導(dǎo)體。多數(shù)載流子(majoritycarriers)少數(shù)載流子(minoritycarriers)114.受主雜質(zhì)和受主能級(jí)III族元素，如B、Al、Ga。能級(jí)接近價(jià)帶頂端能量；室溫下價(jià)帶中電

5、子容易躍遷這些能級(jí)上；在價(jià)帶中出現(xiàn)空穴。導(dǎo)帶上不產(chǎn)生電子。摻有受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體中多數(shù)載流子是空穴，叫做P型半導(dǎo)體。12二．半導(dǎo)體作為探測(cè)介質(zhì)的物理性能1.載流子密度半導(dǎo)體中電子和空穴的密度乘積為，本征半導(dǎo)體的載流子密度ni、pi和雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子密度n、p滿足：EF：費(fèi)米能級(jí)?沒有射線，是否會(huì)有載流子（電子－空穴對(duì)）？?電子與空穴的數(shù)目是否相等？與半導(dǎo)體的特性有關(guān)133.平均電離能入射粒子在半導(dǎo)體介質(zhì)中平均產(chǎn)生一對(duì)電子空穴需要的能量。300?K，w(Si)=3.62eV77?K，w(Si)=3.76eV，w(Ge)=2.96eV如果在N型半導(dǎo)體中加入受主雜質(zhì)，當(dāng)p>n，N型

6、半導(dǎo)體轉(zhuǎn)化為P型半導(dǎo)體。叫做補(bǔ)償效應(yīng)。當(dāng)p=n，完全補(bǔ)償。2.補(bǔ)償效應(yīng)例如：N型半導(dǎo)體，施主雜質(zhì)幾乎全部電離，n>p。?電子與空穴的數(shù)目關(guān)系是否可以改變？?我們關(guān)心的是射線產(chǎn)生的載流子，數(shù)目是多少？14半導(dǎo)體平均電離能的特點(diǎn)：1.近似與入射粒子種類和能量無關(guān)，根據(jù)電子－空穴對(duì)可以推得入射粒子的能量請(qǐng)回顧一下氣體和閃爍體的情況？2.入射粒子電離產(chǎn)生的電子和空穴的數(shù)目是相同的。無論是與本征半導(dǎo)體反應(yīng)，還是與n型、p型半導(dǎo)體反應(yīng)。摻雜量小，不足以改變射線與物質(zhì)相互作用的特點(diǎn)。3.半導(dǎo)體的平均電離能很小～3eV，<<氣體平均電離能(～30eV)嚴(yán)格地講，平均電離能與入射粒子也有一定的

7、關(guān)系：質(zhì)子與α粒子相差2.2%。平均電離能與溫度也有關(guān)系，對(duì)于Si，液氮溫度時(shí)比室溫時(shí)大3%。與射線的能量也有一定的關(guān)系，特別是低能X射線部分。能量降低，平均電離能增大。15關(guān)于FANO因子射線在半導(dǎo)體中產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)是服從FANO分布的。FANO因子目前尚難以進(jìn)行準(zhǔn)確地理論估計(jì)，通常由實(shí)驗(yàn)得到充分考慮其它因素對(duì)全能峰的展寬——電子學(xué)噪聲、漂移等。剩下的展寬則由統(tǒng)計(jì)漲落引起——估計(jì)FANO分布。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看：FANO因子的測(cè)量結(jié)果相差甚大，尤其是對(duì)Si?；蛟S也和粒子沉積能量的特點(diǎn)有關(guān)。一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果