第九章 半导体探测器

第九章半导体探测器西安交通大学核科学与技术学院第九章半导体探测器西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuan9.1半导体的基本性质9.2P-N结半导体探测器9.3P-I-N型半导体探测器9.4高纯锗（HpGe）半导体探测器9.5其他半导体探测器西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuan9.1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)三．半导体探测器基本原理西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuan半导体的晶体结构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。9.1半导体基本性质图：金刚石、硅、锗的晶格结构西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuan能带理论介绍•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•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。9.1半导体基本性质西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuan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。9.1半导体基本性质西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuan•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。•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Eg9.1半导体基本性质西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuan9.1半导体基本性质西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuan9.1半导体基本性质导体、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西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuan一、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。即ni=pi。理想、无杂质的半导体.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。固体物理理论已证明半导体内的载流子平衡浓度为：•N型（电子型）半导体：导带内电子运动。•P型（空穴型）半导体：满带内空穴运动。•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。一、本征半导体和杂质半导体ni为单位体积中的电子的数目，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。西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuan禁带宽度：(Si@300K)1.12eVGE(Ge@300K)0.67eVGE一、本征半导体和杂质半导体半导体中的载流子密度小，随温度变化。西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuan一、本征半导体和杂质半导体2、杂质半导体在半导体材料中有选择地掺入一些杂质。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。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。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。西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuan3)施主杂质(Donorimpurities)与施主能级施主杂质为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，则导带内的电子局部能级越多。这类掺有施主杂质的半导体称为N型半导体。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。电子浓度：DNn施主杂质浓度一、本征半导体和杂质半导体西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuan4)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受主杂质浓度一、本征半导体和杂质半导体西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuan一、本征半导体和杂质半导体结构缺陷点缺陷：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）。缺陷团：晶体内点缺陷或线缺陷等复合而成的复杂缺陷。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。西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuanDopingwithvalence5atomsDopingwithvalence3atomsN-typesemiconductorP-typesemiconductor一、本征半导体和杂质半导体一、本征半导体和杂质半导体一、本征半导体和杂质半导体西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuan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1、载流子密度二．半导体作为探测介质的物理性能西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuan2、补偿效应二．半导体作为探测介质的物理性能对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西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuan3、平均电离能非平衡载流子：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，w与Eg一样与半导体材料和温度有关。300K，w(Si)=3.62eVw(Ge)=2.80eV。77K，w(Si)=3.76eV，w(Ge)=2.96eV。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二．半导体作为探测介质的物理性能4、载流子的迁移率nnuEppuE当E~103V/cm时：二．半导体作为探测介质的物理性能西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuan300K，(Si)77K，(Si)321.210cmVsecn422.110cmVsecn迁移率随温度下降而上升，300K，(Ge)323.910cmVsecn321.910cmVsecp电子迁移率与空穴迁移率相差倍数，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。西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuan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中的漂移速度二．半导体作为探测介质的物理性能当电场升高时，漂移速度随电场的增加速率变慢；当E~1045V/cm时：达到饱和漂移速度~107cm/sec.空穴在Ge中的漂移速度电场一定时，低温的漂移速度大。低温：Es~103V/cm；室温：Es~104V/cm。二．半导体作为探测介质的物理性能西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuan掺杂会大大降低半导体材料的电阻率；对硅来说掺杂对电阻率的影响比锗显著得多；降低半导体材料温度可以提高电阻率。5、电阻率：电阻率与电子、空穴浓度及其迁移率有关，1()npenp[cm](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。二．半导体作为探测介质的物理性能本征电阻率：西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuan二．半导体作为探测介质的物理性能西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuan6、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。二．半导体作为探测介质的物理性能7、载流子寿命：载流子从产生到消失(俘获、复合)的平均时间间隔。非平衡载流子数目N0随时间按指数规律衰减。西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuan8、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。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。扩散长度必须大于探测器灵敏区厚度。EL二．半导体作为探测介质的物理性能西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuan半导体探测器材料：长载流子寿命；高电阻率(漏电流小，结电容小)。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。二．半导体作为探测介质的物理性能材料要求物理要求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对半导体探测器材料的基本要求二．半导体作为探测介质的物理性能西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuan半导体探测器的基本原理是带电粒子在半导体探测器的