高纯锗探测器课件

高纯锗探测器与其他探测器第四节：高纯锗探测器1.高纯锗探测器的结构2.同轴型高纯锗探测器的电场和电容3.高纯锗探测器的主要性能由于一般半导体材料的杂质浓度和外加高压的限制，耗尽层厚度为1～2mm。对强穿透能力的辐射而言，探测效率受很大的局限。由此而研发的一种耗尽层厚度较大，杂质浓度低，电阻率极大的半导体探测器。其基底为高纯度的锗，称之为高纯锗半导体探测器。什么是高纯锗探测器？4.1高纯锗探测器的结构高纯锗探测器的结构主要有两种：平面型同轴型1）平面型高纯锗探测器其工作原理与结构与PN节半导体探测器区别不大，但体积较小，且厚度为5mm-10mm，常用于低能或X射线的探测以及高能的带电粒子的测量。其工作时需要注意两点：1.要求其工作在全耗尽状态2.要求在液氮温度下使用（77K）高纯锗探测器禁带宽度只有0.7eV左右，，保证Ge晶体工作于半导体状态，并防止电子因为温度自激发带来显著噪声。另外整个探测系统中的前置放大器通常与探测器安装在一起，前置放大器中的第一级场效应晶体管（FET）也被冷却至接近77K的温度，目的是为了减少FET噪音。因此如果温度升高（但在可接受范围内），可能观察到探测器漏电流的显著升高，探测器漏电流会使spectrum中低于30keV的区间内出现显著噪音信号，漏电流的变化可使能量分辨率恶化。2）同轴型高纯锗半导体探测器同轴型的特点：由于锗晶体沿着轴向可以做的很长，因此轴向探测器的有效探测长度以及灵敏体积可以做得很大（可达400cm3），从而可以用来测量穿透能力强的高能射线（10Mev的γ射线）。同轴型高纯锗探测器结构P型HPGe本征区N层探测器外加电压同轴高纯锗可以是P型（常规型）也可以是N型（倒置型）Ge,其外加电压有所不同。P型HPGe本征区N层关于探测器的引出电极通常采用外表面接法，这样随着外加电压的增大耗尽层将由外表面向里扩散，当达到耗尽电压时耗尽层刚好到达内表面。由于电极附近的场强较大，因此有利于载流子的收集，对P型HPGe,外表面为n+接触，通常采用Li作为外表面，厚度为600um左右，外加电压采用外接法，对N型HPGe则正好相反，外表面为P+接触，施加电压为倒置电压。4.2同轴型高纯锗探测器的电场和电容22d()1(r)VrdVdrrdr222121(/4)()()2ln()eNaVeNarrErrrrr在柱坐标中，泊松方程可以转化为如下形式：这里考虑双端同轴型，设内外径分别为r1,r2，设外加电压为VB，即V（r2）-V（r1）=VB安此边界条件可求出：1）电场：2直角坐标柱坐标22d()1(r)VrdVdrrdr积分形式:lSldEqSdD0静电场的基本方程微分形式：0EDzayaxazyx电势的泊松方程电势的泊松方程D2EEDE2电位ϕ满足的泊松方程2222222zyxzayaxazayaxazyxzyx柱坐标中，电势的泊松方程2222222zyx直角坐标22222211zrrrrr柱坐标222d()1(r)VrdVdrrdr2）电容：对于圆柱体由高斯公式可知QdsEsrKE2由此可得到电势从而有圆柱形HPGe的电容1212ln2ln2rrLQrrQLUQC12122121ln2ln22rrLQrrKdrrKdrEUrrrr4.3高纯锗探测器的主要性能3.1能量分辨率3.5中子辐照3.2探测效率3.4电荷收集和时间特性3.3峰康比与峰形状4.3.1能量分辨率影响分辨率的因素射线产生的电子空穴对的涨落电子空穴对的俘获探测器及仪器的电子学噪声工作温度232221EEEE为载流子数的涨落EFE36.21)(36.22ENCE为漏电流和噪声3E为载流子由于陷阱效应带来的涨落，通过适当提高偏置电压减小总能量分辨率4.3.1能量分辨率4.3.2探测效率探测效率的影响因素探测器的灵敏体积几何形状临近探测器的物质射线的能量这里仅讨论了γ射线与特征x射线的探测效率4.3.2探测效率（2）相对效率（1）绝对全能峰探测效率εp绝对全能峰探测效率εpεp=放射源发出的射线数目全能峰计数全能峰——光电效应＋所有的累计效应εp是射线能量的函数，因此想要高的探测效率需要使入射的射线全部沉积在灵敏体积当中通常需要知道εp-Eγ的关系曲线，一般采用刻度法。左图为HPGe和Ge(Li)探测器的效率刻度曲线，是用能量和各能量射线分支比已知的放射源进行刻度的，可以看到在能量为200keV-3MeV之间相对效率与射线能量之间的关系近似为一条直线。在这个能量区间的探测效率相对来说可以准确的获得。射线的能量有关与HPGe的灵敏体积有关源与探测器的距离有关εpεp有关的因素相对探测效率相对效率=BAB=Co(60)1.33MeVgamma射线在NaI（ϕ7.62cm×7.62cm）闪烁体探测器中光电峰面积A=Co(60)1.33MeVgamma射线在HPGe灵敏体积中的光电峰面积由于相对效率与光电峰的面积有关，而光电峰与灵敏体积有关，因此，体积越大效率会增加，其间的关系（相对于1.33MeV）可表示为如下公式相对效率（%）=3.43cm体积4.3.3峰康比与峰形状康普顿平台的峰值全能峰的峰值P峰康比：hv全能峰(光电峰)EdEdN多次Compton散射单逃逸峰双逃逸峰提高峰康比的方法：增大灵敏体积；选着好的几何形状（轴长等于直径，中心孔尽量小）；高的能量分辨率；相对效率为10%到100%的同轴型HPGe峰康比约为40:1到80:1低能射线的全能峰一种HPGe反康普顿谱仪反符合屏蔽与康普顿抑制低本底HPGeγ谱仪用HPGe反康普顿探测器测得的60Co能谱4.3.4电荷收集和时间特性1）输出回路：由于HPGe探测器也是半导体探测器，因此其输出回路，输出信号与其他半导体探测器基本一致CLR测量仪器RC考虑结电阻Rd和结电容Cd，结区外半导体电阻和电容RS，CS，并把探测器等效成一个人电流源，从而得到如下等效电路图2）电荷的收集当R0(Cd+Ca)tc(tc为载流子收集时间)时，为电压脉冲型工作状态：但是，由于输出电压脉冲幅度h与结电容Cd有关，而结电容随偏压而变化，因此当所加偏压不稳定时，将会使h发生附加的涨落，不利于能谱的测量；为解决该矛盾，PN结半导体探测器通常不用电压型或电流型前置放大器，而是采用电荷灵敏前置放大器。电荷灵敏放大器的输入电容极大，可以保证C入Cd，而C入是十分稳定的，从而大大减小了Cd变化的影响。输出回路的时间常数为：τ0=RfCf则h只与反馈电容有关，保证了在偏压不稳定时h不发生涨落电荷灵敏放大器dRfCdCrCUSCUD0ACr是放大器的输入电容和分布电容之和。Cf为反馈电容。如将反馈回路的电容等效到输入端，则输入端的总电容为frdCACC01当半导体探测器输出电荷时，在放大器输入端形成的信号电压为frdsrCACCQU01如果满足条件A01,rdfCCCA01fsrCAQU0则由此可见，只要满足上述条件，电荷灵敏放大器的输出信号幅度h就仅与探测器输出的电荷Q成正比，而与探测器的结电容Cd和放大器的输入电容Cr无关，保证了输出信号的稳定性3)载流子收集时间脉冲前沿从粒子入射至全部载流子被收集(tc)由于在边界，电场强度趋于0，定义载流子扫过x＝0.99W的距离的时间为载流子收集时间：4.3.5中子辐照损伤中子辐照损伤的机理：当一定能量的中子射入HPGe探测器灵敏体积时会引起晶格的缺陷，错位等，从而影响到探测器的能量分辨率。阈注量：能量分辨率开始出现变化时所对应的中子注量。阈注量与探测器的尺寸有关，尺寸越大，阈注量约低。阈注量还与探测器的类型有关，下表给出了几种探测器的阈注量第五节：其他探测器1.锂漂移硅探测器2.化合物半导体探测器3.位置灵敏探测器5.1锂漂移硅探测器5.1.1锂的漂移特性及P-I-N结1)间隙型杂质——LiLi电离能很小～0.033eV，常温下由于热运动即可电离，Li电离成Li＋，为施主杂质，在Li端形成N区，之后Li＋在电场作用下的漂移，其过程如下：Li＋漂移速度ETdtdW)(当温度T增大时，(T)增大，Li+漂移速度增大。Li＋在电场作用下的漂移Li＋的半径比Si和Ge半导体晶格间距小得多在电场作用下，Li＋可以很容易穿过Si和Ge半导体晶格，漂移深入半导体内部Li＋会和半导体材料中的B-中和Li＋的补偿作用，提高了电阻率，增大了结区2)P-I-N结的形成基体用P型半导体(因为极高纯度的材料多是P型的)，例如掺硼的Si或Ge单晶。(1)一端表面蒸Li，Li离子化为Li+,形成PN结。(2)另一端表面蒸金属，引出电极。外加电场，使Li+漂移。Li+与受主杂质(如B-)中和，并可实现自动补偿形成I区。(3)形成P-I-N结，未漂移补偿区仍为P，引出电极。PN+IntrinsicSemiFrontmetallizationOhmicbackcontactTopositivebiasvoltage由硅作为基体的探测器称为Si(Li)探测器，由锗作为基体的探测器称为Ge(Li)探测器。锂离子是用于漂移成探测器的唯一的离子。5.1.2锂漂移探测器的工作原理1)空间电荷分布、电场分布及电位分布I区为完全补偿区，呈电中性为均匀电场；I区为耗尽层，电阻率可达1010cm；I区厚度可达10～20mm，为灵敏体积。杂质浓度电荷分布电位电场平面型的灵敏区电场均匀分布同轴型的电场非均匀分布灵敏区的电场0()ExdVd为灵敏区厚度V0为偏置电压021()lnErrVrr式中r1和r2分别为未补偿的P芯半径r为灵敏区半径平面型：)(41031120FdsCd211021()2ln310dlFCrr灵敏区的电容同轴型：式中l为灵敏区的长度输出脉冲输出脉冲类似于电离室平面型：)()(0tdCetVwwNheCeNV0maxrrVrrtNVrwrrwrrrNhheCettCetV12022max0max0000120ln2)ln()ln(ln)(12同轴型：前面讨论的半导体能量分辨率也适用于Si（Li）探测器，这里仅强调两点：5.1.3能量分辨率（1）Si（Li）探测器常用于测量低能和x射线能谱。影响Si（Li）探测器的能量分辨率的因素主要有窗厚，死层，因此应尽量减小窗的影响。（2）Si（Li）探测器的灵敏区相当后（5-10mm），常温下暗电流的涨落将不容忽视，因此必须在液氮温度（77K）下工作。5.2化合物半导体探测器why化合物半导体探测器？为了解决传统硅探测器对低能射线和X射线探测效率低，锗探测器需工作在液氮温度下等问题而开发的一些化合物半导体探测器。目前主要有这三类化合物探测器：碲化镉(CdTe)碲锌镉(CdZnTe)碘化汞(HgI2)CdTe,CdZnTe,HgI2的特性参数CdTeCdaZnbTeHgI2SiGe原子序数48/5248/30/5280/531432禁带宽度(eV)1.441.64(a=0.8,b=0.2)1.53(a=0.96,b=0.04)2.131.120.67密度(g/cm3)6.2～66.42.335.33电阻率(Ωcm)10910111013upto10450电子迁移率(cm2/V.s)1100135010014003900空穴迁移率(cm2/V.s)10012044801900μτ(e)(cm2/V)3.3×10-31×10-310-411μτ(h)(