核辐射探测第四章

第四章半导体探测器SemiconductorDetector半导体探测器的基本原理是带电粒子在半导体探测器的灵敏体积内产生电子－空穴对，电子－空穴对在外电场的作用下漂移而输出信号。我们把气体探测器中的电子－离子对、闪烁探测器中被PMT第一打拿极收集的电子及半导体探测器中的电子－空穴对统称为探测器的信息载流子。产生每个信息载流子的平均能量分别为30eV(气体探测器)，300eV(闪烁探测器)和3eV(半导体探测器)。第四章半导体探测器半导体探测器的优点：(1)能量分辨率最佳；(2)射线探测效率较高，可与闪烁探测器相比。第四章半导体探测器(3)线性范围宽缺点：（1）辐射损伤较灵敏，受强辐射后性能变差（2）常用的锗探测器，需要在低温条件下工作，甚至要求在低温下保存，使用不便。常用半导体探测器有：(1)P-N结型半导体探测器；(2)锂漂移型半导体探测器；(3)高纯锗半导体探测器；第四章半导体探测器半导体的晶体结构第四章半导体探测器半导体材料均属具有一定晶格结构材料，晶体材料内部的原子（或离子）均有规则的按一定方式排列（原子排列的格式就叫晶格）并有固定的熔点。第四章半导体探测器能带理论介绍一晶体内的电子公有化电子不再从属于某个特定的原子，而是从属于整个晶体，可以在晶体内的任何原子核附近出现二晶体内的“能带”对于公有化的电子而言，应把整个晶体看做一个系统，公有化电子的不同运动状态应与整个晶体的各个能级相对应第四章半导体探测器第四章半导体探测器与单个原子的某能级对应，在晶体中将存在N个能级（N是晶体的总原子数），这些能级间隔很近，其能量值均在原来单个原子的对应能级附近。单个原子中处于该能级上的电子在晶体中被公有化以后，将全处于这一族间隔很近的能级上。晶体中这一族间隔很近的能级称作“能带”，显然，与单个原子中个能级相对应，在晶体内存在一系列的能带。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：能级已被电子所占满，一般外电场作用时，其电子不形成电流，对导电没有贡献导带：能带被电子部分占满，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。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第四章半导体探测器第四章半导体探测器•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第四章半导体探测器4.1半导体的基本性质1、本征半导体和杂质半导体1)本征半导体：由于热运动而产生的载流子浓度称为本征载流子浓度，且导带中的电子数和价带中的空穴数严格相等。常用半导体材料为硅(Si)和锗(Ge)，均为IV族元素.理想、无杂质的半导体.固体物理理论已证明半导体内的载流子平衡浓度为：/21910GEkTiinpeni和pi为单位体积中的电子和空穴的数目，下标“i”表示本征(Intrinsic)材料。T为材料的绝对温度，EG为能级的禁带宽度。第四章半导体探测器2)杂质半导体杂质类型：替位型，间隙型。(1)替位型：III族元素，如B(硼)、Al(铝)、Ga(镓)等；V族元素，如P(磷)、As(砷)、Sb(锑)等(2)间隙型：Li，可在晶格间运动。第四章半导体探测器第四章半导体探测器3)施主杂质(Donorimpurities)与施主能级电子浓度：DNn施主杂质浓度施主杂质为V族元素(如磷,锂)其在半导体中形成的局部能级()接近禁带顶部(即导带底部)，则.在室温下，杂质原子的原来处于其局部能级上的电子很易因热运动而进入导带，使导带中的电子数增多，并使该杂质原子自身处于离化状态。这类杂质原子越多，则导带内的电子局越多。这类掺有施主杂质的半导体称为N型半导体。第四章半导体探测器3)施主杂质(Donorimpurities)与施主能级电子浓度：DNn施主杂质浓度施主杂质为V族元素(如磷,锂)其在半导体中形成的局部能级接近禁带顶部(即导带底部)，表示该局部能级与导带底带的能量差值，则。在室温下，杂质原子的原来处于其局部能级上的电子很易因热运动而进入导带，使导带中的电子数增多，并使该杂质原子自身处于离化状态。这类杂质原子越多，则导带内的电子局越多。杂质原子成为正电中心，这类在导带中产生电子的杂质称作“施主”，它们所产生的局部能级称作“施主能级”。掺有施主杂质的半导体称为N型半导体。第四章半导体探测器第四章半导体探测器4)受主杂质(Acceptorimpurities)与受主能级受主杂质为III族元素，受主杂质在半导体中形成的局部能级一定很接近禁带底部(即满带顶部)，表示该局部能级与满带顶部的能量差值，则室温下满带中电子容易跃迁这些能级上；在满带中出现空穴。所以，此时多数载流子为空穴，杂质原子成为负电中心。这类杂质称为“受主杂质”，所产生的局部能级称为“受主能级”。掺有受主杂质的半导体称为P型半导体。空穴浓度：ANp受主杂质浓度第四章半导体探测器第四章半导体探测器Dopingwithvalence5atomsDopingwithvalence3atomsN-typesemiconductorP-typesemiconductor第四章半导体探测器2、载流子浓度和补偿效应1)载流子浓度空穴浓度：电子浓度：kTEEnFeCn/)(1kTEEpFeCp/)(2式中，E1为导带底；E2为价带顶。Cn和Cp为与禁带内能级分布无关的常数。所以：kTEpngeCCpn/可见，对半导体材料，在一定温度下，n·p仅与禁带宽度有关。因此，在相同温度下，本征半导体的相等的两种载流子密度之积与掺杂半导体的两种载流子密度之积相等，即：22iiiinpnpnp第四章半导体探测器2)补偿效应对N型半导体：np，可以加入受主杂质，使之成为本征半导体，此时n=p=ni，也称为“准本征半导体”（实现了完全补偿）；进一步加入受主杂质，可变为P型半导体，即pn。对本征半导体：iipn对杂质半导体：，但仍满足2inpnpn当n=p时，载流子总数取最小值。iipn第四章半导体探测器3、半导体作为探测介质的物理性能1)平均电离能（w）SiGe300ºK3.62eV77ºK3.76eV2.96eV入射粒子在半导体介质中平均产生一对电子空穴需要的能量。半导体中的平均电离能与入射粒子能量无关。在半导体中消耗能量为E时，产生的载流子数目N为：/NEw第四章半导体探测器2)载流子的漂移由于电子迁移率n和空穴迁移率p相近，与气体探测器不同，不存在电子型或空穴型半导体探测器。对N型半导体，电子的漂移速度为Eunn对P型半导体，空穴的漂移速度为Eupp电场较高时，漂移速度随电场的增加较慢，最后达到载流子的饱和速度～107cm/s。第四章半导体探测器3)电阻率与载流子寿命半导体电阻率：pnpne1cmcm/2第四章半导体探测器载流子浓度越大，迁移率越大，电阻率越小。温度上升，载流子浓度增大，电阻率减小。第四章半导体探测器高的电阻率和长的载流子寿命是组成半导体探测器的关键。载流子寿命--载流子在俘获以前，可在晶体中自由运动的时间。只有当漂移长度大于灵敏体积的长度才能保证载流子的有效收集。对高纯度的Si和Ge～10-3s，决定了Si和Ge为最实用的半导体材料。EL掺杂将大大降低半导体的电阻率，对硅来说掺杂对电阻率的影响比锗显著得多。当半导体材料被冷却到液氮温度时将大大提高电阻率。本征电阻率：iScm5103.2eGcm100~50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第四章半导体探测器4.2P-N结半导体探测器1、P-N结半导体探测器的工作原理1)P-N结区(势垒区)的形成(1)多数载流子扩散，空间电荷形成内电场并形成结区。结区内存在着势垒，结区又称为势垒区。势垒区内为耗尽层，无载流子存在，实现高电阻率，达，远高于本征电阻率。cm1010第四章半导体探测器结合前，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区，即PN结区，亦称耗尽区，阻挡层，势垒区。第四章半导体探测器半导体探测器的灵敏区为什么半导体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。第四章半导体探测器(2)外加电场下的P-N结：在P-N结上加反向电压，由于结区电阻率很高，电位差几乎都降在结区。反向电压形成的电场与内电场方向一致。外加电场使结区宽度增大。反向电压越高，结区越宽。第四章半导体探测器PN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。第四章半导体探测器2)P-N结半导体探测器的特点(1)结区的空间电荷分布，电场分布及电位分布P-N结内N区和P区的电荷密度分别为：式中ND和NA分别代表施主杂质和受主杂质浓度；a,b则代表空间电荷的厚度。一般a,b不一定相等，取决于两边的杂质浓度，耗尽状态下结区总电荷为零，即NDa＝NAb。)0()0()(bxxaeNeNxADPNn-typep-type---------------------------------+++++++++++++++ab0第四章半导体探测器04()()DeNExxa)0(xa)0(bx04()()AeNExbx电场为非均匀电场：电位分布可由电场积分得到：020)(2)(VaxeNxD)0(xa)0(bx20)(2)(bxeNxA(/)Eddx第四章半导体探测器(2)结区宽度与外加电压的关系当x=0时，P区和N区的电位应相等，即2020022beNaeNVAD又因：bNaNAD所以：AeNVbba2)(00耗尽区的总宽度：baW当NDNA时，ba。则bW当NAND时，ab。则aW一般可写成：02/1002VeNVWiNi为掺杂少的一边的杂质浓度。第四章半导体探测器(3)结区宽度的限制因素受材料的击穿电压的限制：受暗电流的限制，因为：WIG0VW(4)结电容随工作电压的变化011VWCd根据结区电荷随外加电压的变化率，可以计算得到结区电容：12001422ideNCWV结区电容随外加电压变化而变化，外加电压的不稳定可以影响探测器输出电压幅度的不稳定。即：第四章半导体探测器第四章半导体探测器3)P-N结半导体探测器的基本原理势垒区——灵敏体积结区