半导体探测器

第四章半导体探测器§4-1半导体的基本知识和探测器的工作原理§4-2能量测量半导体探测器§4-3半导体探测器的主要参量§4-4位置测量半导体探测器§4-5半导体探测器的应用2020/1/19中国科大汪晓莲2SemiconductorDetector•优点：1）很高的能量分辨率，比气体探测器大约高一个数量级，比闪烁计数器高的更多。因为在半导体中电离产生一对电子－空穴对只需要3eV左右的能量；带电粒子在半导体中的能量损失很多，在硅晶体中大约为3.9MeV/cm，所以能量相同的带电粒子在半导体中产生的电子－空穴对数比在气体中产生的离子对数高一个数量级以上。这样,电离对数的统计误差比气体小很多。2）很宽的能量响应线性范围3）很快的响应时间，ns量级，高计数率108/cm2·s4）体积小5）很好的位置分辨率，好于1.4m。•缺点：对辐射损伤灵敏2020/1/19中国科大汪晓莲3§4-1半导体的基本知识和探测器的工作原理一、半导体的基本知识1.固体的导电性：物体导电是物体内电子在外电场作用下定向运动的结果。2.导体、半导体、绝缘体的能带由于电场力对电子的作用，使电子的运动速度和能量发生变化。从能带论来看，电子能量变化就是电子从一个能级跃迁到另一个能级上。•满带：被电子占满的能级，一般外电场作用时，其电子不形成电流，对导电没有贡献，亦称价带。•导带：被电子部分占满的高能态能级，在外电场作用下，电子从外电场吸收能量跃迁到未被电子占据的能级上去，形成电流，起导电作用。2020/1/19中国科大汪晓莲4•禁带：满带和导带之间的禁区称为禁带，其宽度也称为能隙，记做Eg。•导体、半导体和绝缘体之间的差别在于禁带宽度不同：导体不存在禁带，满带和导电交织在一起；半导体禁带较窄，Eg=0.1-2.2eV绝缘体禁带较宽，Eg=2-10eV由于能带取决于原子间距，所以Eg与温度和压力有关。一般禁带宽度大的材料，耐高温性能和耐辐照性能好。5291010101010cmcmcm2020/1/19中国科大汪晓莲5材料SiGeCdTeCdZnTeHgI2CdSeGaAs原子序数（Z）143248、5248、30、5280、5348、3431、33密度（g/cm3）2.335.326.065.9～5.956.45.745.36介电常数11.715.74.468.812.5禁带宽度Eg(eV)1.12/1.160.67/0.741.471.4～2.262.131.701.43平均电离能W(eV)3.62/3.762.80/2.964.464.34.35工作温度（K）300/77300/77300300300300300漂移迁移率[cm2/(V.s)]电子14503900110011001006508600空穴4501900100504651000少数载流子寿命τ(s)10310361.1×10-22510-30.1电阻率(Ω·cm)104102109101110131012107俘获长度(mm)103103111能量分辨率FWHM(KeV)55Fe,X5.9KeV0.1361.11.50.295241Am,59.5KeV0.400.31.531.25.92.657.Co,122KeV0.550.44.53.92.0137Cs,662KeV0.90.98104.5241Am,5.48MeV13.564.8几种半导体材料的性能参数2020/1/19中国科大汪晓莲63.本征半导体•理想的不含杂质的半导体称为本征半导体，导带上的电子数目严格等于满带上的空穴数目，n=p。•一般情况下，半导体的满带完全被电子占满，导带中没有电子。在热力学温度为零时，即使有外电场作用，它们并不导电。但是当温度升高或有光照时，半导体满带中少量电子会获得能量而被激发到导带上，这些电子在外电场作用下将参与导电。同时满带中留下的空穴也参与导电。•N型（电子型）半导体：导带内电子运动，参与导电。•P型（空穴型）半导体：满带内空穴运动，参与导电。•载流子：是电子和空穴的统称。温度高，禁带宽度小，产生的载流子数目就多；产生得越多，电子与空穴复合的几率也越大。在一定温度下，产生率和复合率达到相对平衡，半导体中保持一定数目的载流子。2020/1/19中国科大汪晓莲7•载流子浓度：固体物理可以证明本征半导体内的载流子平衡浓度23expiEgnnpUTkT每立方厘米体积中电子与空穴的浓度禁带宽度(eV)绝对温度(K)玻尔兹曼常数比例系数233323231031331.211.510exp0.7853.110exp3001.510/2.410/iiSinTkTGenTkTtKSinpcmGenpcm不含杂质的理想本征半导体的载流子浓度硅锗在室温下，，本征半导体载流子浓度硅锗2020/1/19中国科大汪晓莲8SiliconDetectorSomecharacteristicsofSiliconcrystals•SmallbandgapEg=1.12eV⇒0(e-hpair)=3.6eV•Highspecificdensity2.33g/cm3dE/dx(M.I.P.)≈3.9MeV/cm≈102e-h/µm(average)•Highcarriermobilityµe=1450cm2/V.s,µh=450cm2/V.s⇒fastchargecollection(10ns)•Verypure1ppmimpurities•Rigidityofsiliconallowsthinselfsupportingstructures•Detectorproductionbymicroelectronictechniques2020/1/19中国科大汪晓莲9把电子贡献给导带的杂质称为施主杂质，杂质能级叫施主能级，位于导带底部。常用的五价元素有：P(磷)、As(砷)、Sb(锑)、Li(锂）等。五价元素原子的第5个价电子都激发到导带中参与导电，五价元素原子成为正离子，是不能移动的正电中心。这种半导体的导电主要是电子贡献，称作电子型或N型半导体。能接受满带中电子而产生导电空穴的杂质称为受主杂质，常用的三价元素有：B(硼)、Al(铝)、Ga(镓)、In(铟)。三价元素原子有从附近吸收一个电子的趋势，在满带上面形成一个新的局部能级，叫受主能级。满带中的电子很容易跳入该能级。在室温下三价元素原子几乎都形成负离子，是不能移动的负电中心，而在满带中产生空穴。这种半导体的导电主要是空穴的贡献，称作空穴型或P型半导体。掺杂：在本征半导体内掺入杂质，来改变半导体材料的性能。2020/1/19中国科大汪晓莲10•N型半导体的本征空穴和P型半导体的本征电子也参与导电，称为少数载流子。•对于掺杂半导体，除了本征激发产生的电子空穴对以外，还有施主杂质提供的电子和受主杂质提供的空穴，所以电子和空穴的浓度不相等。22Niinnnpnnppnp施施受受在型半导体中，，在P型半导体中，，结构缺陷点缺陷：晶格上出现空位或应该空位处出现了原子。线缺陷：晶体受应力作用发生错位（沿平面滑移）。晶格缺陷也能俘获或放出电子，相当于在晶体禁带中附加受主或施主能级，也起受主或施主作用。2020/1/19中国科大汪晓莲11二、PN结（pnjunction）结合前，N区的电子比P区多，P区的空穴比N区多。结合后，电子由N区向P区扩散与空穴复合；空穴由P区向N区扩散与电子复合。扩散的结果形成PN结。在PN结区，电子空穴很少，剩下的杂质正负离子形成空间电荷区，其内建电场方向由N区指向P区，阻止电子、空穴继续扩散，并造成少数载流子的反向漂移运动。当扩散运动和反向漂移运动达到平衡时，P区或N区的电子空穴浓度就不再变化。这个由杂质离子组成的空间电荷，即PN结区，亦称耗尽区，阻挡层，势垒区。2020/1/19中国科大汪晓莲12半导体探测器的灵敏区•内建电势差VD，加在PN结两边的电位差，势垒高度为eVD。•为什么半导体PN结可作为灵敏区？1）在PN结区可移动的载流子基本被耗尽，只留下电离了的正负电中心，对电导率无贡献，其具有很高的电阻率。2）PN结加上一定负偏压，耗尽区扩展，可达全耗尽，死层极薄，外加电压几乎全部加到PN结上，形成很高电场。3）漏电流很小，有很好的信噪比。2020/1/19中国科大汪晓莲13PN结的偏压特性•加反向电压，N区接正，P区接负，外加电场方向与内建电场方向相同，使耗尽层增厚，漂移运动增强。当带电粒子穿过时产生电子－空穴对，在高电场下分别向正负电极漂移，产生信号。信号幅度正比于电子空穴对数目，正比于入射粒子损失能量。所以加反向偏压的PN结就是结型半导体探测器的灵敏区。2020/1/19中国科大汪晓莲14三、载流子的产生和复合•非平衡载流子：入射粒子产生的载流子。类似气体电离，产生一对电子空穴对所需消耗的能量称作平均电离能0，0与Eg一样与半导体材料和温度有关。•复合和俘获：1）导带上的电子直接被满带中空穴俘获；2）通过晶体中杂质和晶格缺陷在禁带内的中间能级——复合中心和俘获中心进行温度硅Si的0锗Ge的0室温300K3.62eV2.80eV低温77K3.76eV2.96eV2020/1/19中国科大汪晓莲15•载流子寿命：非平衡载流子数目N0随时间按指数规律衰减。•载流子漂移速度：•扩散长度或俘获长度：表示非平衡载流子从产生到消失前平均移动的距离。扩散长度必须大于探测器灵敏区厚度。0tNNe：非平衡载流子从产生到复合或俘获前平均存在的时间nnnpppEE电子漂移速度电子迁移率空穴漂移速度空穴迁移率T：单位场强作用下载流子的平均漂移速度，与温度、场强和杂质浓度有关。在一定温度和场强范围内有经验公式，式中和是常数，与材料有关，对电子、空穴其值不同。,,.,.npnpnpnpnpLE2020/1/19中国科大汪晓莲16•对半导体探测器材料的基本要求材料要求物理要求Ln,p大或n,p大电荷收集效率高能量分辨好Eg大使用温度高抗辐照性能好杂质浓度低灵敏区厚度大原子序数大射线探测效率高材料和加工工艺合适可生产有用的探测器2020/1/19中国科大汪晓莲17§4-2能量测量半导体探测器一、PN结型探测器1.扩散型•将一种类型的杂质扩散到另一种类型的半导体内形成PN结。通常是把五价磷在高温下（800－1000oC)扩散到P型硅中，扩散深度由调节温度和时间来控制。从而在P型硅表面形成高浓度的N＋层，在P型硅和N型硅交界处就得到了PN结。•结区厚1－2m，电极和信号引出的欧姆接触利用真空沉积或化学镀等方法实现。•优点：漏电流小，对辐射损伤不灵敏。•缺点：死层较厚，不易获得大面积PN结，生产过程中高温处理，导致载流子寿命减小，影响能量分辨率。2020/1/19中国科大汪晓莲182.面垒型•金硅面垒探测器•优点：窗薄，噪声低，不经高温处理，能量分辨率高，能量线性响应好。工艺简单，成品率高，易于制得大面积探测器。•主要用于测量质子、粒子和重离子等带电粒子。2020/1/19中国科大汪晓莲193.离子注入型•制备：利用加速器产生一定能量（5－100KeV)的杂质正离子束，直接穿透半导体表面形成PN结。常用硼离子束轰击N型硅，或用磷离子束轰击P型硅，调节离子束能量和强度，得到所需的掺杂深度和浓度。•优点：入射窗薄，薄至30-40nm。•缺点：能量分辨率不如面垒型，但比扩散型好。入射离子束产生强的辐射损伤，形成大量复合和俘获中心。使用较低能量的离子束和在一定温度下退火，可以消除这一效应。2020/1/19中国科大汪晓莲20二、锂漂移型探测器•由于锂在Si和Ge中的电离能较低，在室温下锂全部电离，电子进入导带内起施主作用。Li＋半径小于Si和Ge的晶格距离很多，在电场作用下很容易进入半导体内部，向深处扩散。Li＋和P型受主杂质B-由于静电作用形成稳定的(Li＋B-)对，达到补偿的目的。形成电阻率很高的本征层(I