【清华大学工物系课件】电离辐射探测_工程硕士课程(6)-半导体探测器

核辐射物理及探测学第六章半导体探测器(semiconductordetectors)2/89whysemiconductordetector?•气体：分辨率较好探测效率太低•闪烁体：探测效率很好分辨率不好载流子的形成环节太多，不断损失产生载流子需要的能量•半导体：分辨率很好：~0.1%@1.33MeV探测效率较高：比拟NaIw~30eVF:0.2~0.5w~300eVF:~1w~3eVF:~0.13/89半导体探测器（60年代初期发展起来）的特点：目前常见的半导体探测器材料有两种：Si：纯度不高，难以做成大的探测器（载流子寿命）适合带电粒子测量（短射程）Ge：纯度很高（高纯锗），可以做成较大的探测器适合γ能谱测量能量分辨率高探测效率高，可与闪烁体相比拟紧凑较快的时间响应尺寸较小，难以做大易受射线损伤本章讨论的核心，仍然是关于载流子（电子－空穴对）的问题：产生（统计性）运动损失形成信号干扰……探测器性能4/89关于能带（知识介绍）晶体内电子的公有化晶体内的外层电子不再从属于某个特定的原子，而是从属于整个晶体，可以在晶体内任何原子核附近出现。E单个原子的能级晶体中：•原子紧密、规则地排列•相邻原子间的作用显著起来•电子不仅受自身原子核的库仑作用，也受周围其它原子核的作用•外层电子“公有化”E晶体中的能带N个电子N个能级能级间隔：10-22eV构成晶体的总原子数：N5/89满带（价带）、禁带、空带（导带）6/89第六章半导体探测器§6.1半导体基本性质§6.2均匀型半导体探测器§6.3P-N结型半导体探测器§6.4P-I-N型半导体探测器§6.5高纯锗HPGe半导体探测器§6.6锂漂移和HPGe半导体探测器的性能与应用§6.7其它半导体探测器7/89§6.1半导体基本性质一．本征半导体与杂质半导体二．半导体作为探测介质的物理性能常用半导体材料：Si、Ge(IV族元素)8/89一．本征半导体与杂质半导体1.本征半导体(intrinsicsemiconductor)理想的、纯净的半导体。半导体中的电子和空穴密度严格相同，由热运动产生：19310exp2(1/)GnpEkTcm禁带宽度：(Si@300K)1.12eVGE(Ge@300K)0.67eVGE本征硅：103210/cmnp本征锗：1332.410/cmnp半导体中的载流子密度小，且随温度变化。价带填满了电子，导带上没有电子金属中的电子密度：~1022/cm3室温下的电子与空穴密度：9/892.杂质半导体在半导体材料中有选择地掺入一些杂质(ppm或更小)。杂质原子在半导体禁带中产生局部能级，影响半导体的性质。10/893.施主杂质和施主能级V族元素，如P、As、Sb。能级接近导带底端能量；室温下热运动使杂质原子离化；离化产生的电子进入导带，但价带中并不产生空穴。掺有施主杂质的半导体中多数载流子是电子，叫做N型半导体。多数载流子(majoritycarriers)少数载流子(minoritycarriers)例：室温下，本征硅的载流子密度为：1010cm-3施主掺杂1017atoms/cm3(2ppm)，电子密度：1017/cm3空穴密度：103/cm311/894.受主杂质和受主能级III族元素，如B、Al、Ga。能级接近价带顶端能量；室温下价带中电子容易跃迁这些能级上；在价带中出现空穴。导带上不产生电子。掺有受主杂质的半导体中多数载流子是空穴，叫做P型半导体。12/89二．半导体作为探测介质的物理性能1.载流子密度半导体中电子和空穴的密度乘积为，expGnpCEkT本征半导体的载流子密度ni、pi和杂质半导体的载流子密度n、p满足：22iiiinpnpnp1()eFEEkTnnC2()eFEEkTppCEF：费米能级12GEEE没有射线，是否会有载流子（电子－空穴对）？电子与空穴的数目是否相等？与半导体的特性有关13/893.平均电离能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。300K，w(Si)=3.62eV77K，w(Si)=3.76eV，w(Ge)=2.96eV如果在N型半导体中加入受主杂质，pnpn不变当pn，N型半导体转化为P型半导体。叫做补偿效应。当p=n，完全补偿。2.补偿效应例如：N型半导体，施主杂质几乎全部电离，np。电子与空穴的数目关系是否可以改变？我们关心的是射线产生的载流子，数目是多少？14/89半导体平均电离能的特点：1.近似与入射粒子种类和能量无关，根据电子－空穴对可以推得入射粒子的能量请回顾一下气体和闪烁体的情况？2.入射粒子电离产生的电子和空穴的数目是相同的。无论是与本征半导体反应，还是与n型、p型半导体反应。掺杂量小，不足以改变射线与物质相互作用的特点。3.半导体的平均电离能很小～3eV，气体平均电离能(～30eV)严格地讲，平均电离能与入射粒子也有一定的关系：质子与α粒子相差2.2%。平均电离能与温度也有关系，对于Si，液氮温度时比室温时大3%。与射线的能量也有一定的关系，特别是低能X射线部分。能量降低，平均电离能增大。15/89关于FANO因子射线在半导体中产生的电子－空穴对是服从FANO分布的。FANO因子目前尚难以进行准确地理论估计，通常由实验得到充分考虑其它因素对全能峰的展宽——电子学噪声、漂移等。剩下的展宽则由统计涨落引起——估计FANO分布。由实验结果来看：FANO因子的测量结果相差甚大，尤其是对Si。或许也和粒子沉积能量的特点有关。一些实验结果：Si：0.085~0.16，Ge：0.057~0.12916/89当E~1045V/cm时：达到饱和漂移速度~107cm/s.4.载流子的迁移率迁移率随温度下降而上升，近似∝T-2/3300K，(Ge)23900cmVsn空穴迁移率比电子迁移率小，但不过相差2～3倍，nnuEppuE当电场强度不高（E103V/cm）时，载流子迁移率正比于场强：300K，(Si)21350cmVsn77K，(Ge)423.610cmVsn2480cmVsp421.110cmVsp21900cmVsp424.210cmVsp422.110cmVsn77K，(Si)当电场升高时，漂移速度随电场的增加速率变慢；载流子产生之后的行为？（类比气体）扩散和漂移，通常扩散可以忽略不计（若对位置精度要求不高）再想想气体？17/89空穴在Ge中的漂移速度电场一定时，低温的漂移速度大。饱和速度时的场强：低温：Es~103V/cm；室温：Es~104V/cm。电场强度较小时，u与场强成正比；电场强度较大时，u随场强增加速度变慢。电子在Si中的漂移速度18/89半导体探测器需要载流子的漂移长度大于灵敏体积的长度。5.载流子寿命载流子寿命：从产生到重新陷落(复合)的平均时间间隔(理想晶体：second)。LE载流子的漂移长度：高纯度的半导体Si和Ge：~103s载流子在产生之后，除了会发生扩散或在电场下漂移并形成信号，还有可能发生：陷落(trap)：Au，Zn，Cd等的存在，使载流子陷落，不能移动，最终会释放，但是对信号没有贡献……复合(recombination)：(deepimpurities)可以捕获电子和空穴，导致复合(4b5a)，比直接复合(1b)要容易使得载流子减少！信号的收集时间：10-7～8s射线产生的载流子一定会对输出信号作出贡献吗？（气体）导带价带TEdE1a1b2a2b3a3b4a4b5a5b通过补偿，半导体材料的电阻率可以提高到与本真材料相同，但载流子寿命大大降低19/89掺杂会大大降低半导体材料的电阻率；降低半导体材料温度可以提高电阻率。6.电阻率电阻率与电子、空穴浓度及其迁移率有关室温：(Si)=2.3105；(Ge)=50~100[cm]通过补偿效应，可以提高电阻率；完全补偿时，n=p，电阻率最高。()()npnpienupuenpElVElERSIiSi1[cm]()npenp20/89半导体探测器材料应该具有的特点：长载流子寿命保证载流子能够被收集高电阻率漏电流小结电容小21/89§6.1半导体基本性质§6.2均匀型半导体探测器§6.3P-N结型半导体探测器§6.4P-I-N型半导体探测器§6.5高纯锗HPGe半导体探测器§6.6锂漂移和HPGe半导体探测器的性能与应用§6.7其它半导体探测器22/89§6.2均匀型半导体探测器一．带电粒子与半导体晶体的相互作用二．均匀型半导体探测器的工作原理及性能23/89一.带电粒子与半导体晶体的相互作用带电粒子与晶体中的电子相互作用，迅速损失能量。电子由价带（满带）进入导带：可以从最高价带（第一价带）进入最低导带（第一导带）也可以是从更深的满带激发到更高的导带中。～10-12s，电子降至第一导带，空穴上升至第一价带。或者是产生δ电子，继续电离产生的电子－空穴对数服从法诺分布。对于Si：F=0.15对于Ge：F=0.1324/89二.均匀型半导体探测器的工作原理及性能相当于固体电离室电子-空穴在ps的时间内产生电子－空穴分别向正负极漂移，在外电路形成电流信号电子－空穴的收集时间～10-7s探测效率远大于气体探测器工作原理至放大器CRLRdCd+25/89早期使用金刚石（绝缘晶体）电阻率高载流子寿命很短(10-8s)：载流子来不及被收集“极化效应”：形成“空间电荷”，导致“反向电场”，随着入射粒子数目的增多，计数器无法工作1/1000的金刚石可用。性能26/89半导体具有长的载流子寿命(ms)，能够避免上述问题，但是？52100V100.1cm1cmVIlS0.01A大暗电流，涨落→噪声。发热，使电阻率进一步降低晶体材料温度[K]空穴迁移率μp[厘米2/伏·秒]空穴寿命τp[秒]μp`τp[厘米2/伏]金刚石300120010－810－5硅3005002×10－31掺金硅14010410－710－3锗300180010－31.8锗781.5×10410－315碲30056010－85×10－6砷化铟3003×1046×10－82×10－3砷化镓3001037×10－77×10－4硫化镉3005010－85×10－7碲化镉3001002×10－62×10－4碲锌镉3008010－68×10－5碘化汞300410－54×10－5要求ρ107Ω·cm27/89解决办法：2.室温半导体1.补偿法，提高材料的电阻率利用补偿法制备具有本征电阻率的硅晶体，在100K的低温下工作，则电阻率可以满足要求。在N型硅中掺杂3倍于施主数目的金。载流子寿命变短。选择禁带宽度大的材料，在室温下本征电阻率也足够高，例如化合物半导体材料：GaAs，CdTe，CZT(CdZnTe)，HgI2，CVD(ChemicalVaporDeposition)金刚石探测器28/89§6.1半导体基本性质§6.2均匀型半导体探测器§6.3P-N结型半导体探测器§6.4P-I-N型半导体探测器§6.5高纯锗HPGe半导体探测器§6.6锂漂移和HPGe半导体探测器的性能与应用§6.7其它半导体探测器29/89§6.3P-N结型半导体探测器一．工作原理二．P-N结型半导体探测器的类型三．输出信号四．P-N结型半导体探测器的性能与应用30/89一．工作原理1.P-N结(势垒区)的形成在P型半导体上掺杂，通过补偿效应，转化为N型半导体，形成P-N结。由于密度的差异，电子和空穴朝着密度小的方向扩散。扩散的结果形成空间电荷区，建立起自建电场。EPN在自建电场的作用下，扩散与漂移达到平衡。形成P-N结区，也叫势垒区、耗尽区。电场是均匀的吗？耗尽了什么？1010c