第十章半导体探测器讲解
半导体光探测原理
半导体光探测原理
半导体光探测原理是指利用半导体材料的光电效应来实现光信号的检测和转换的原理。
半导体光探测器是一种能够将光信号转换为电信号的器件，广泛应用于通信、光电子、医疗、安防等领域。
半导体光探测器的基本结构是由PN结构组成的。
PN结是由P型半导体和N型半导体组成的结构，其中P型半导体中的电子浓度较低，空穴浓度较高，而N型半导体中的电子浓度较高，空穴浓度较低。
当PN结受到光照射时，光子会激发PN结中的电子和空穴，使其发生电离，形成电子空穴对。
电子空穴对在PN结中运动时，会产生电流，从而实现光信号的转换。
半导体光探测器的工作原理是基于PN结的光电效应。
当光子进入PN结时，会激发PN结中的电子和空穴，使其发生电离，形成电子空穴对。
电子空穴对在PN结中运动时，会产生电流，从而实现光信号的转换。
光子的能量越高，激发出的电子空穴对就越多，产生的电流也就越大。
因此，半导体光探测器的灵敏度和响应速度都与光子的能量有关。
半导体光探测器的优点是灵敏度高、响应速度快、体积小、功耗低、可靠性高等。
在通信领域，半导体光探测器被广泛应用于光纤通信、无线通信、卫星通信等领域。
在光电子领域，半导体光探测器被应用于光电转换、光电传感、光电显示等领域。
在医疗领域，半导体光探测器被应用于医学成像、光疗等领域。
在安防领域，半导体光
探测器被应用于红外夜视、监控等领域。
半导体光探测原理是一种基于PN结的光电效应，能够将光信号转换为电信号的原理。
半导体光探测器具有灵敏度高、响应速度快、体积小、功耗低、可靠性高等优点，在通信、光电子、医疗、安防等领域得到广泛应用。
29.1.1课前回顾及10.3PN结半导体探测器
E2 (FWHM)2 零电容噪声＋噪声斜率×结电容
E2 (FWHM)2 0.5keV 0.114keV/pF 10pF 1.64keV
噪声也可以用等效噪声电荷ENC表示，即放 大器输出噪声电压的均方根值等效于放大器输 入端的噪声电荷，以电子电荷为单位；由于噪 声叠加在射线产生的信号上，使谱线进一步加 宽，参照产生信号的射线的能量，用FWHM表 示，其单位就是keV。例如，ENC＝200电子对， 由噪声引起的线宽为：
上节课PPT中的
0V0 W 2 eN i
1/ 2
讲义上的
2 V0 W eN i
12
1/ 2
0 1 0 eN i Cd 4 W 2 2 V0
E( x) 4 eN D
eN i Cd W 2V0
( x)
eN A ( x b)2 2
0
( x b) 2
10.1 半导体的基本性质（简介）
10.2 均匀型半导体探测器（简介）
10.3 P-N结半导体探测器
1、PN结半导体探测器的工作原理 2、PN结半导体探测器的类型 3、PN结半导体探测器的输出信号 4、PN结半导体探测器的性能 5、PN结半导体探测器的应用
Cf 输出回路的时间常数为： 0 R f C f
h
3) 载流子收集时间 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：
tC 4.6 10
2
(s)
对Si， 1.062 10
10
(F/m) ( cm)
F/m
10.4 锂漂移半导体探测器
10.5 高纯锗(HPGe)半导体探测器
半导体探测器的工作原理
半导体探测器的工作原理半导体探测器是一种利用半导体材料制成的探测器，它可以用于测量辐射、粒子和光子等。
半导体探测器的工作原理主要基于半导体材料的特性以及辐射或粒子与半导体材料相互作用的过程。
本文将从半导体材料的基本特性、探测器的结构和工作原理等方面进行介绍。
半导体材料的基本特性。
半导体材料是介于导体和绝缘体之间的一类材料，它的导电性介于导体和绝缘体之间。
半导体材料的导电性主要取决于其杂质浓度和温度。
在半导体材料中，掺杂了少量的杂质可以显著地改变其导电性能，形成n型半导体和p型半导体。
n型半导体中电子是主要的载流子，而p型半导体中空穴是主要的载流子。
探测器的结构。
半导体探测器通常由半导体材料制成的探测器本体和前端电路、后端电路组成。
探测器本体是由高纯度的半导体材料制成的，通常是硅(Si)或锗(Ge)材料。
前端电路主要用于收集和放大探测器本体中产生的电荷信号，而后端电路则用于信号的处理和数据的采集。
工作原理。
当辐射或粒子穿过半导体探测器时，会与半导体材料发生相互作用，产生电荷对。
这些电荷对会在半导体材料中产生电场，并在电场的作用下分离，形成电荷信号。
前端电路会收集并放大这些电荷信号，然后将其送入后端电路进行进一步处理和数据采集。
半导体探测器的工作原理主要基于半导体材料的能带结构和电荷输运的过程。
当辐射或粒子穿过半导体材料时，会激发半导体材料中的电子和空穴，形成电荷对。
这些电荷对在半导体材料中运动，产生电荷信号。
通过对电荷信号的收集和处理，可以获得辐射或粒子的能量和位置信息。
在实际应用中，半导体探测器可以用于核物理实验、医学成像、核辐射监测等领域。
由于半导体探测器具有高能量分辨率、快速响应速度和较高的空间分辨率等优点，因此在科学研究和工程应用中得到了广泛的应用。
总结。
半导体探测器的工作原理基于半导体材料的特性以及辐射或粒子与半导体材料相互作用的过程。
通过对电荷信号的收集和处理，可以获得辐射或粒子的能量和位置信息。
半导体探测器的工作原理
半导体探测器的工作原理一、引言半导体探测器是一种利用半导体材料制成的探测器，具有高灵敏度、快速响应和较好的能量分辨率等优点。
它广泛应用于核物理、天文学、医学等领域。
本文将详细介绍半导体探测器的工作原理。
二、半导体材料半导体材料是指在温度为零度时，其电阻率介于导体和绝缘体之间的物质。
常见的半导体材料有硅(Si)和锗(Ge)等。
这些材料具有特殊的电子结构，其价带和导带之间存在禁带宽度，能够在外界电场或光照下发生电子跃迁。
三、PN结PN结是由P型半导体和N型半导体组成的结构。
P型半导体中掺入了少量三价元素(如硼)，形成空穴(P+)；N型半导体中掺入了少量五价元素(如磷)，形成自由电子(N-)。
当P型和N型半导体相接触时，由于两者禁带宽度不同，在接触面上会形成一个耗尽层，其中自由电子和空穴会发生复合，形成正负离子。
这样就形成了PN结。
四、反向偏置将PN结的P端连接到正极，N端连接到负极，这样就形成了反向偏置。
此时，外界电场会加速耗尽层中的载流子，使得耗尽层变宽。
当反向电压达到一定值时，耗尽层变得很宽，这时候探测器的电流基本上不再增加。
五、正向偏置将PN结的P端连接到负极，N端连接到正极，这样就形成了正向偏置。
此时，在PN结中注入少量载流子(如空穴)，这些载流子会在耗尽层中发生复合，并产生少量电流。
如果在PN结两侧分别接上金属电极，则可以通过测量两个电极之间的电压来检测探测器中的辐射信号。
六、能量沉积当高能粒子穿过半导体材料时，会与材料原子相互作用并损失能量。
其中一部分能量被转化为激发或离化原子所需的能量，而另一部分能量则被转化为热能。
这样就在半导体材料中形成了电子空穴对，它们会在外界电场的作用下向PN结两端运动，并产生电流信号。
七、能量分辨率探测器的能量分辨率是指探测器能够分辨出两个不同能量的信号的能力。
它受到多种因素的影响，如材料本身的能带结构、探测器制备工艺、探测器温度等。
通常情况下，半导体探测器具有较好的能量分辨率。
半导体探测器的探测原理
半导体探测器的探测原理
半导体探测器的基本结构是p-n结。
它由p型半导体和n型半导体材料组成，这两种材料通过接触形成一个结。
在p-n结中，p型的材料处于正电位，n型的材料处于负电位。
当半导体处于不受光照射时，两种材料之间会形成一个正电势差，形成电场。
当有入射光照射到半导体探测器中时，光子将撞击半导体材料中的原子。
这将导致一些电子被激发到能量较高的能级。
在p-n结的界面处，正电势差会使得被激发的电子向p型区移动，而正空穴则向n型区移动。
这些移动的电子和空穴将导致电流的变化。
这是因为电子和空穴在移动的过程中会与材料中的原子相互作用，发生电离和复合等过程。
被激发的电子和正空穴将继续与周围的离子产生相互作用，形成一系列电子空穴对。
这些电子空穴对会以电流的形式流动，形成一个电信号。
此外，半导体探测器还可以通过对电信号的时间参数进行分析来获取更多的信息。
不同入射光子的能量会导致电信号的上升时间和下降时间不同。
通过测量电流的上升和下降曲线，可以确定入射光子的能量范围和事件的时间特征。
总结起来，半导体探测器的探测原理是通过入射光子激发半导体材料中的电子空穴对，产生电信号。
该电信号的强度和时间特征可以用于确定入射光子的能量和其他信息。
这使得半导体探测器成为许多领域中不可或缺的工具。
半导体探测器
面垒型半导体
一般采用N型单晶硅片,并将金沉积在上面 制成，故也常称为金硅面垒型探测器。它 是利用金和半导体之间接触电 势差，在半 导体中形成没有自由载流子的耗尽层，即 是探测器的灵敏区。在采用高纯度硅材料 时，其厚度可达4～5毫米。此外，还可以 用极薄的硅片做成全耗尽型 探测器,或称为 dE/dX 型探测器,最薄可达1～2微米。入射 粒子可以穿过它并根据其能量损失率而鉴 别粒子种类。
2003
2004
2005
2006
Chart Title in here
Diagram
Description of the company’s sub contents
- ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.
Reality
Identity
Creativity
Identity
Creativity
ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.
Diagram
ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.
Text in here
Text in here
Title
பைடு நூலகம்
ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.
半导体探测器的工作原理
半导体探测器的工作原理
半导体探测器是一种利用半导体材料制成的探测器，用于检测辐射或粒子的能量和位置。
它在核物理、医学成像、天体物理等领域有着广泛的应用。
半导体探测器的工作原理主要包括能量沉积、载流子产生和电荷收集三个过程。
首先，当辐射或粒子穿过半导体探测器时，会与半导体原子核或电子发生相互作用，导致能量的沉积。
这些能量沉积会激发半导体材料中的原子或分子，使其电子从价带跃迁到导带，产生电子-空穴对。
其次，产生的电子-空穴对会在半导体中以载流子的形式移动。
在电场的作用下，电子和空穴会向着半导体的正负极移动，并在移动过程中产生电荷。
这些电荷将被收集到探测器的电极上，形成电信号。
最后，通过测量电信号的幅度和时间信息，可以确定辐射或粒子的能量和位置。
这样，半导体探测器就能够实现对辐射或粒子的探测和测量。
除了能量和位置的测量，半导体探测器还具有高分辨率、快速响应和较低的噪声等优点。
这使得它在科研和工业领域得到广泛应用。
例如，在医学成像中，半导体探测器可以用于正电子发射断层扫描（PET）和计算机断层扫描（CT）等影像学技术；在核物理实验中，它可以用于测量粒子的能谱和散射截面；在天体物理研究中，它可以用于探测宇宙射线和暗物质等。
总之，半导体探测器通过能量沉积、载流子产生和电荷收集等过程，实现了对辐射或粒子的高精度探测和测量。
它的工作原理简单清晰，应用广泛丰富，是现代科学技术中不可或缺的重要工具之一。
半导体核探测器
半导体核探测器SQ10068273012 赵乐绪论以半导体材料作为探测介质的和探测器是20世纪60年代发展起来的一类固体探测器，它有着突出的优点，如能量分辨率较高，线形范围较宽，输出脉冲的上升时间快，而且体积小等等。
由于这些优点，使半导体核探测器得到广泛的应用。
如在γ射线能谱测量方面锗锂漂移探测器与Nal谱仪相比，能量分辨率大约要高一、两个量级，因而使和γ能谱分析有关的工作带来了巨大的变化。
但半导体核探测器的重要缺点也影响了它的应用。
如受强辐射后性能变坏，输出脉冲幅度小，性能随温度变化较大等等都尚待进一步改善，或开发新半导体材料来发展新型探测器。
1.半导体核探测器的基本原理以p-n结型探测器为代表来说明半导体核探测器的基本原理。
由于在p-n结区截留子很少，电阻很高，所以，当探测器加上反向电压以后，电压几乎完全降落在结区，在结区形成一个足够强的电场，但几乎没有电流通过。
当带电粒子射入结区后，通过与半导体材料的电子相互作用，很快地损失掉能量。
带电粒子所消耗的能量将使电子由价带跃迁到导带，于是在导带中有了自由电子，在价带中留下了自由空穴，也就是形成了可以导电的电子—空穴对。
在电场作用下，电子和空穴分别向两级漂移，于是在输入回路中形成信号。
当电场足够强时，电子和空穴在结区的复合和俘获（陷落）可以忽略。
这时，输出信号的幅度与带电粒子在结区消耗的能量成正比。
如果带电粒子的全部能量都消耗在结区，则通过测量信号脉冲的幅度就可以测定带电粒子的能量。
能做半导体探测器的半导体材料，必须满足一定的条件：1).射线在半导体材料中，产生一对电子—空穴所需的能量越小越好；2).为了在外回路中形成信号，当加上电压以后，电子—空穴必须很容易穿过半导体材料。
这就要求电子、空穴的迁移率高，复合和俘获都可以忽略，以保证电子—空穴到达电极之前不致损失掉。
3).为了保证电荷收集，需要加一个足够强的电场。
在电场作用下，漏电流必须足够小才能使信号的测量不受影响。
粒子探测技术之径迹测量的半导体探测器
径迹测量的半导体探测器初期的硅微条探测器无论在设计和技术工艺水平方面都比较低;位置分辨率也不高;随着高能物理实验的发展要求;探测器技术及半导体各种技术工业和光刻技术的发展;硅微条及一些相关的半导体探测器都得到了快速得发展和应用..如双边读出的硅微条探测器;像素探测器;硅漂移室;CCD;硅片探测器等;都有了新的发展;在不同的实验中;都有一些应用..另外还由于高度集成化低噪音的前端电子学的研制成功;也推动了这些探测器的发展提高..硅微条探测器是目前使用最广泛的半导体探测器;具有非常好的位置分辨率;但对辐射损伤比较灵敏..电荷耦合器的读出时间很长;但还是被广泛应用于需要高的空间分辨和中等的时间分辨的场合..日本的高能物理实验室KEK计划把它用作未来实验的顶点探测器;位置分辨率设计为2μm.像素探测器具有非常好的位置分辨率;但需要大量的基础电子元器件来组成;它的先进性在于它只用单边的技术工艺也提供了两维的高位置分辨率..这种探测器已经被应用到LHC高能物理实验中..硅漂移室的允许计数率比一般的半导体探测器高几十倍;时间分辨率好;噪声小;且节省电子学经费..1 硅微条探测器随着半导体技术的迅速发展;半导体粒子探测器也有了很大的发展;其中;硅微条探测器SMDSilicon Microstrip Detector的发展和应用是非常突出的一个;近十几年来;世界各大高能物理实验室几乎都采用它最为定点探测器;如即将运行的大型强子对装机LHC 上的大型实验ATLAS 和CMS 都选用SMD 作为探测粒子径迹的径迹探测器..在核医学领域的CT 和其他数字化图像方面的应用研究;也有了很多新的进展..一、 硅微条探测器的特点硅微条探测器最突出的特点是具有非常好的位置分辨率;他的位置分辨率是目前各种探测器中最高的;可以做到1.4μm..由于带电粒子在硅中产生一对电子空穴所需要的能量为3eV;比在气体和闪烁晶体中都要小;所以具有很高的能量分辨率..因带电粒子在硅中损失能量较大;约为390eV/μm;在较宽的能量范围内输出幅度与入射粒子种类无关;有很宽的线性范围..采用微电子工艺的半导体探测器很薄;典型的厚度为300μm;产生的电荷在很小的区域里被收集;响应时间非常快;一般可达到5ns 左右..因此;可以实现高计数率;可超过28/10cm ·s..由于硅半导体密度大;有一定的刚度;他可以做的很薄并能自身支持..有的还可做得更薄;整个探测器可以做得很小..硅微条探测器对辐射损伤比较灵敏;如果收到强辐射其性能将变差..高剂量辐照对硅的表面和整体将造成损伤;整体的损伤影响更大..高能强子和核作用;只需15eV 就可使硅原子偏离晶格位置;造成格点的空位和错位..晶格对成型的破坏会再禁带内形成一些不希望的能级..这些能级的出现使漏电流增加..观察到体电流密度随粒子流线型增加..αφ=∆I V;式中V 是体积cm 3;φ是粒子流粒子/cm 2;对最小电离的质子和π介子有cm A /1017-⨯2=α..探测器的寿命最终由辐照后材料中施主浓度的变化决定..辐照后的基片不管原来是什么类型的;最终逐渐变为P 型..随粒子流强的增加;探测器电荷收集变慢且效率下降..但若探测器工作在低温下低于零摄氏度;加上制造工艺的改进;偏置电压可以较高;这样可以运行在粒子流超过214/10cm 的条件下..二、 硅微条探测器的结构和工作原理硅微条探测器是在一个N 型硅片的表面;通过氧化和离子注入法、局部扩散法、表面位垒法及光刻等工艺技术制作而成的..从探测器横截面上看;主要分这样几个部分见图1：在探测器表面是均匀平行的薄铝条;2SiO 隔离条;铝条下边是重掺杂的+P 微条..N 型硅片的整个地面掺入杂质后;制成N 型重掺杂+N 层;其外层也附有一层铝;作为欧姆接触..这样就制成了表面均匀条形的PN 结型单边读出的探测器..中间部分的耗尽层是探测器的灵敏区;当在这些条型PN 结加上负偏压时;耗尽层在外加电场的作用下随着电压升高而变厚..当电压足够高时;耗尽层几乎扩展到整个N 型硅片;基本达到了全耗尽;死层变得非常薄..因为其内部可移动的载流子密度很低;电阻率很高;漏电流非常小好的硅微条探测器的漏电流应小于100pA..又因为多晶硅的动态电阻与漏电流成反比;6cm 长的微条的动态电阻大约是910Ω;所以外加电压击鼓全部加到耗尽区上;形成很高的电场..在无辐射电离时;基本没有信号产生..当有带电粒子穿过探测器的灵敏区时;将产生电子-空穴对..在高电场的作用下;电子向正极底板飘逸;空穴向靠近径迹的加负偏压的微条飘逸..因为电子和空穴的迁移率很高;在这很小的区域内探测器厚度为300μm 左右收集电荷只需很短的时间～5ns..在探测器的微条上很快就读出了这个空穴实为电子运动产生的电荷信号..硅微条探测器的位置分辨由条间距决定;典型值为20μm ～150μm..对条间距为50μm的探测器;其位置分辨达到14.4μm..图1 单边读出硅微条探测器结构读出电子学得到这个电荷信号;经过前置放大器将信号放大;再经过模拟通道、比较器、模数转换ADC后读入计算机..根据探测器系统测得的带电粒子的信息;及带电粒子在各个微条上的位置参量;可以确定各有关带电粒子的运动轨迹及对撞后末态粒子的次级定点等..根据谱仪内的磁场强度和粒子运动的轨迹可以计算出每个带电粒子的动量..在设计、制作和使用硅微条探测器时需要考虑的一个重要原则问题是带电粒子在半导体探测器中的散射与探测器的厚度问题..因为半导体的密度比较大;带电粒子穿过探测器时;在探测器内部要经过多次散射..如果带电粒子的能量不高;探测器比较厚;粒子在探测器内经过很多次散射后;角度偏转比较大;这将不利于粒子的径迹和顶点精确测量..如果探测器太薄了;虽然散射次数减少;偏转角度小了;但探测效率降低了..因此;一定要根据被探测粒子的能量及实验对散射偏转角度的要求;恰当地选择探测器厚度..图2给出的是双边读出的硅微条探测器结构;这是利用了一些新技术工艺双金属层;p-stop技术等研制成的..这种双边读出的硅微条探测器也是基于PN结的工作原理;在一片N型硅片的两面;通过先进的技术工艺;分别制成重掺杂P+型和N型微条..这两层读出条相交成一定的角度900或任意角度;个别有互相平行的..这种探测器具有二维位置的测试能力..他的p 边p-side的结构设计特征像单边读出的微调探测器;P+与N形成了P+N结;而欧姆边n-side为防止条与条之间的短路;需要复杂的设计及技术工艺;其中包括条之间的电子学绝缘问题..根据不同的需要;可以选择不同的绝缘方法;如场平面field-plate方法、p-stop方法及p-spray方法等..方便读出的硅微条探测器的工作原理也是因为加负偏压;实现基本全耗尽;动态电阻很大;漏电流很小;同时减小了电容;压低了噪声..带电粒子通过时;产生电子空穴对;在p-side和n-side两边读出条上都读出了电信号;得到二维的信息..图2 双边读出硅微条探测器结构2 电荷耦合器CCD是英文Charge Coupled Device的缩写;是一种很常见的超大规模集成电路器件;达到商用水平的CCD已经使用几十年了;过去多用在光测量和摄像机上;即使在高能物理中的应用;也是作为火花室和流光室的径迹图像记录D作为粒子探测器;探测的不再是光;而是带电粒子;所以它的结构也有些变化..CCD的结构是在一块硅片上集成很多的MOS金属-氧化物-半导体期间;绝缘层;上面再沉积一层金属Pb;每个MOS器件类如在Si上生成一层SiO2似一个小半导体探测器..现代的CCD有线型的;还有面型的；从原理结构上分有PN结CCD;也有CMOS型CCD..图3是一个MOS CCD的结构图;像素尺寸可以达到10μm..图4是在高电阻、全耗尽型硅基底上制作的CCD;并用PN结来代替MOS结构的PN结CCD结构图..可以产生一个厚德敏感区域;从而使直接测量成为可能..无论哪种方法;由于硅的吸收系数很小;所以只有低能射线才会被探测到..图5是双向CCD的结构图..图3 MOS CCD的结构图当带点粒子射入探测器时;产生电子空穴对;电荷传输在CCD很薄的耗尽区内进行;其传输是被氧化物顶部的门电极的三重周期电压变化控制的这是对于线型CCD而言;如图6所示..电荷从一个小室向另一个小室的漂移;移向边缘那一列信号输出电极..因为信号输出电极及读出电子学路数都比较少;因此这种探测器的信号读出比较慢..图4 PN结CCD结构图图5 双向CCD的结构图6 CCD的电荷传输尽管他们的读出时间都很长;但是CCD还是被广泛应用于需要高的空间分辨和中等的时间分辨的场合..利用标准CMOS超大规模集成电路方法在低电阻率的硅片上制作单片集成像素传感器;与CMOS成像装置现比;这类装置包括一个由耗尽层所构成的敏感层和一个改进的光敏二极管结构来提高收集效率..例如;MIMOSA就是一个采用CMOS工艺制作的含有64×64像素的芯片..又如;XMM牛顿卫星上的CCD单元的尺寸是3×1cm2;由200×64个150×150μm2的像素组成;读出时间为5ms..近些年科学家们已直接把CCD用作高能物理探测器;如SLD VXD3探测器;采用96个CCD共3.07×108个像素像素大小20μm×20μm;每个CCD读出通过4个输出结;8位FADC;全部读出时间是200ms..日本KDK计划用CCD作为未来实验的定点探测器;位置分辨率设计达到2μm..3 硅像素探测器像素Pixel探测器是由许多精心设计好的非常小的PN结组成的;它能够非常快地提供二维的信息..每一个小室cell都连接它自己的读出电子学部分..这样制成的像素探测器对于高多重性、高事例率的实验是非常有用的..它不像双层硅微条探测器那样;在多个粒子同时打到探测器的一个读出条上时出现位置分辨模糊问题..像素探测器具有非常好的位置分辨率;在每单位面积上需要大量的电子学路数..像素探测器分为单一性像素探测器和混合型像素探测器..若探测器的每个像素和电子学集成在相同的基片上就叫做单一性像素探测器;如图7所示..图7 单一型像素探测器图.8 混合型像素探测器示意图把像素探测器部分及前端电子部分分别建立在不同的基片上;然后一一对应地连接起来;称作混合型像素探测器;如图8所示..两部分的工艺是独立的;可以各自采用不同材料和处理方法..每个像素和它对应的读出电子学的连接有两种方法：一种是用倒装片技术;另一种是使用双层金属;即每个像素和对应的电子学通过在探测器边缘的焊片连接..像素探测器的像素有的采用简单的PN结型二极管和光电二极管;有的采用PIN光敏二极管和耗尽型场效应晶体管;还有的采用小型硅漂移室单元和CMOS器件单元等;他们各自有不同的优缺点;各有不同的用途..4 硅漂移探测器硅漂移室是在N型的硅片的两个表面;注入杂质硼形成重掺杂P+条;中间是一层未耗尽区;由此形成两个耗尽层夹着一个中间为耗尽的区域..在边缘形成一个N+微条与中间未耗尽区相连..当外加一定的负偏压即负电压加到P+上;正电压加到N+条上后;整个硅片实现全耗尽..硅片内部的电位分布;在z方向成为抛物线形;中心的电位最低而靠近两个表面的部位最高..当带电粒子穿过探测器时产生电子空穴对;电子就会落入低电位的谷中;然后沿着电场的水平方向;想电位最低的正极微条N+漂移;形成电信号..信号经过前端电子学电路放大;数字化读入计算机中..通过测量电子的漂移时间从某一个被击中的P+微条漂移到正极N+微条的时间;及被分隔开的N+读出微条上的坐标;就得到了入射粒子的位置信息..它很像气体漂移室;但它的优点是可以大大节省电子学经费..另外电子在耗尽区漂移很长距离才能到达面积很小的正电极;电极之间的电容很小;因此噪声减小;有利于提高能量分辨率..普通的半导体探测器的计数率一般在几十KHZ一下;硅漂移室由于其电容小;相应的脉冲形时间也很短大约为100ns;硅漂移室的漂移时间虽然比较长;但它的计数率并不受此影响;硅漂移室的允许计数率比一般的半导体探测器高几十倍..它的时间分辨可小于1ns;并且它有二维的位置分辨;其中沿漂移方向的位置分辨率可达到几个微米..它也常用作为能量测量..硅漂移室的结构可分为以下几种类型：①一维读出型；②阳极被分割的两维读出型；③圆型；④多单元阵列性；⑤可控型..图9即为一维读出的硅漂移室结构原理图..图9 一维读出的硅漂移室结构原理图小结顶点探测器和径迹室主要用来测量高能带电粒子的径迹..物理学家们根据这些带电粒子在磁场中的运动轨迹计算出它们的动量..根据粒子的质量、动量、能量及其他性能来辨别粒子..顶点探测器和径迹室的定位精度是非常重要的;这些探测器的空间分辨率越高;粒子的径迹分辨越清楚;最终得到的顶点位置和粒子动量越准确..硅微条探测器及一些相关的半导体探测器的位置分辨率比气体探测器的位置分辨率高一到两个数量级;具有体积小、空间分辨率高、CMOS读出电力学功耗小等优点;给高能物理实验带来了许多方便;所以在近十几年来;世界各大高能物理实验室几乎都采用它作为顶点探测器..如美国的FERMILAB的CDF和D0;SLAC实验室的B介子工厂的BaBarOPAL;LHC上的ATLAS;CMS及日本的KEK;德国的HERA;HERB及Zeus和H1实验等等..。
半导体探测器概述共32页文档
END
半导体探测器概述
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
半导体探测器
1) P区存在空间电荷，HPGe半导体探测器是PN结型探测器 。 2) P区为非均匀电场。 3) P区为灵敏体积，其厚度与外加电压有关，一般工作于全耗尽状态。 4) HPGe半导体探测器可在常温下保存，低温下工作。
趋势
上述各种γ射线探测器均须在低温下工作。人们日益注意探索可在常温下探测γ射线的半导体材料。一些原 子序数较大的化合物半导体，如碲化镉、砷化镓、碘化汞、硒化镉等，均已用于制备X、γ射线探测器,并已取得 不同程度的进展。
工作原理
简介
高纯锗探测器的特 点
随着锗半导体材料提纯技术的进展，已可直接用超纯锗材料制备辐射探测器。它具有工艺简单、制造周期短 和可在室温下保存等优点。用超纯锗材料还便于制成X、γ射线探测器,既可做成很大灵敏体积，又有很薄的死层, 可同时用来探测X和γ射线。高纯锗探测器发展很快，有逐渐取代锗。
采用高纯度的 P型Ge单晶，一端表面通过蒸发扩散或加速器离子注入施主杂质(如磷或锂)形成 N区和 N+， 并形成P-N结。另一端蒸金属形成 P+，并作为入射窗。两端引出电极。
的特点
1)能量分辨率最佳 ； 2) γ射线探测效率较高，可与闪烁探测器相比。 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；
P-N结
P-N结的类型
工作原理
存在的矛盾
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，远高于本征电阻率 。
工作原理空间电荷分布、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1010Ωcm； I区厚度可达10～20mm，为灵敏体积。
《半导体探测器》PPT课件
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
300
1200
10－8
10－5
硅
300
500
2×10－3
1
掺金硅
140
104
10－7
10－3
锗
300
1800
10－3
1.8
锗
78
1.5×104
10－3
15
碲
300
560
10－8
5×10－6
砷化铟
半导体中的电子和空穴密度 严格相同，由热运动产生：
价带填满了电子， 导带上没有电子
n p 1019 expEG 2kT
(1/ cm3)
禁带宽度： EG (Si @300K) 1.12eV
EG (Ge @ 300K) 0.67eV
室温下的本征硅， n p 21010 / cm3 本征锗， n p 2.41013 / cm3
3 / 1024021/4/适23 合γ能谱测量
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。
晶体中：
E
•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
单个原子的能级 其它原子核的作用
产生载流子需要的能量
w~300eV
2
/
2021/4/23
104
F:~0.1
w~3eV
• 半导体：
✓ 分辨率很好：~0.1%@1.33MeV ✓ 探测效率较高：比拟NaI
02核辐射探测器(半导体探测器)
半导体探测器半导体探测器是一种以半导体材料作为探测介质的新型核辐射探测器，它有很好的能量分辨能力。
随着半导体材料和低噪声电子学的发展以及各种应用的要求,先后研制出了P-N结型探测器、锂漂移型探测器、高纯锗探测器、化合物半导体探测器以及其它类型半导体探测器。
第一节半导体的基本知识和半导体探测器的工作原理根据物质导电能力,物质可分为导体、绝缘体和半导体。
物质的导电能力可用电阻率ρ来表示,单位为Ω·cm。
导体的电阻率在10-5Ω·cm以下,绝缘体的电阻率在1014Ω·cm以上,半导体的电阻率介于它们之间,一般在(10-2~10-9 )Ω·cm范围内。
半导体通常以晶体形式存在,晶体可分为单晶体与多晶体。
在单晶体中,所有原子都连续地按同一规律整齐地排列,这称为晶格。
多晶体是由许多小晶体颗粒杂乱地堆积起来的,因此多晶材料是不均匀的。
半导体探测器多是由单晶材料制造的。
一、半导体材料的电特性在单晶中，原子紧挨形成晶格排列, 相互之间有电磁力作用。
因此晶体中电子的能量就和孤立原子不同。
孤立原子中的电子只能存在于一定能级上，能级之间是禁区，电子不能存在。
对于单晶体，原子间存在着电磁力，相应孤立原子的能级就分裂成很多十分靠近的新能级，由于单位体积内原子数目非常多，这些分裂彼此之间非常靠近，可以看作连续的，这种连续的能级形成一个能带。
导体、绝缘体和半导体的能带如图3.1所示图 3.1半导体、导体和绝缘体的能带图图 3.1 所示的满带是由各孤立原子的基态分裂出来的能级,导带是由孤立原子各激发态分裂出来的能级。
满带和导带之间的禁区称为禁带,禁带宽度称为能隙,用Eg 表示,单位为eV 。
半导体与绝缘体、导体之间的差别在于禁带宽度不一样。
由于导体不存在禁带, 满带和导带交织在一起,导电性能好； 绝缘体的禁带最宽,约(2~10)eV,导电性能最差；半导体的禁带较窄。
约（0.1~2.2）eV,导电性能比绝缘体好,而次于导体。
半导体探测器原理和性能以及碲锌镉探测器原理
半导体探测器原理和性能以及碲锌镉探测器原理2.1 基本半导体探测器原理2.1.1 基本半导体探测器原理如图2.1.1-1所示，半导体探测器有两个电极，并且在两个电极上加有偏压。
当入射粒子进入半导体探测器的灵敏区时，粒子与晶体发生相互作用产生电子-空穴对。
在外电压的的驱动下，电子-空穴对分别向两级做漂移运动，从而在收集电极上产生感应电荷。
产生的感应电荷将在外电路上产生脉冲信号[5]。
图2.1.1-1 半导体探测器的工作原理图2.1.2 基本半导体探测器性能半导体探测器的主要优点[5]：（1）具有很高的能量分辨率。
电离辐射在半导体介质中产生一对电子-空穴对平均所需能量大约为在气体中产生一对离子所需要能量的十分之一，即：同样能量的带电粒子在半导体中产生的离子对数要比在空气中产生的大约多一个数量级，因此电荷数的相对统计涨落也就小很多，所以半导体探测器的能量分辨率很高。
（2）具有极高的空间分辨率和快时间响应特性。
由于半导体晶体密度远大于空气的密度，所以粒子在半导体中产生的电离密度大约是在一个大气压的气体中产生的1000倍，因此当测量具有较高能量的电子或γ射线时气体探测器的尺寸要比半导体探测器的尺寸大很多，因而半导体探测器具有高空间分辨率和快时间响应的特性。
（3）测量电离辐射的能量时，线性范围很宽。
半导体探测器的主要缺点：（1）半导体材料在受到强辐照后性能就会变差。
因此半导体探测器对辐射损伤较灵敏。
（2）有些半导体探测器对工作环境的条件要求比较苛刻，需要在低温条件下工作，甚至需要在低温下保存，使用很不方便。
2.2 伽马射线与半导体探测器的相互作用2.2.1 光电效应光电效应[6]是具有一定波长的伽马光子将自身的能量全部转移给靶物质中原子的束缚电子，导致束缚电子发射出去变为自由电子，而伽马光子自身消失的过程，如图2.2.1-1所示。
而发射出去的电子称为光电子。
伽马光子被吸收的能量并不是全部转化为了光电子的动能，其中有一部分能量转化为了电子脱离原子束缚所需要的电离能。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3、半导体作为探测介质的物理性能
1) 平均电离能 （w）
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。
300ºK K
Si 3.62eV 3.76eV
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：
NE/w
2) 载流子的漂移
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。
在外加反向电压时的反向电流：
少子的扩散电流，结区面积不变，IS 不变； 结区体积加大，热运动产生电子空穴多，IG 增大； 反向电压产生漏电流 IL ，主要是表面漏电流。
对本征半导体： ni pi 对杂质半导体： n p，但仍满足 n pni2
当 n = p 时，载流子总数 ni pi 取最小值。
对N型半导体：n > p，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”；进一步加入受主杂质，可变为P型半导 体，即p > n。但其代价为载流子的寿命将大大缩 短。
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。
10.2 P-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 1010c，m
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： npCnCpeEg/kT
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：
ni2pi2nipi np
2) 补偿效应
即在使结区变宽的同时，IG 增加, IS不变，If减小， 并出现IL，此时表现的宏观电流称为暗电流。
2) P-N结半导体探测器的特点
的半导体称为N 型半导体。
电子浓度： n ND 施主杂质浓度
4)受主杂质(Acceptor impurities)与受主能级
受主杂质为III族元素，其电离电位 EA很低，受主杂质的能级一定很接近禁 带底部(即价带顶部)，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。所以，此时多数载流子为空穴， 杂质原子成为负电中心。掺有受主杂质 的半导体称为P 型半导体。
半导体探测器的特点：
(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。
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；
10.1 半导体的基本性质
常用半导体材料为硅(Si)和锗(Ge)，均为IV族元素.
1、本征半导体和杂质半导体 1) 本征半导体： 理想、无杂质的半导体.
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，Al，Ga等； V族元素，如P，As，Sb等
(2) 间隙型：Li，可在晶格间运动。
3) 施主杂质(Donor impurities)与施主能级
施主杂质为V族元素，其电离电位ED很低，施 主杂质的能级一定接近禁带顶部(即导带底部)。在 室温下，这些杂质原子几乎全部电离。由于杂质浓 度远大于本征半导体导带中的电子浓度，多数载流 子为电子，杂质原子成为正电中心。掺有施主杂质
空穴浓度： p NA 受主杂质浓度
Doping with valence 5 atoms Doping with valence 3 atoms
N-type semiconductor P-type semiconductor
2、载流子浓度和补偿效应 1) 载流子浓度
电子浓度： nCne(E1EF)/kT 空穴浓度： pCpe(EFE2)/kT
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。
固体物理理论已证明半导体内的载流子平衡
浓度为： n ipi1019eE G /2kT
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。
对N型半导体，电子的漂移速度为un 对P型半导体，空穴的漂移速度为up
nE pE
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。
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。
3) 电阻率与载流子寿命
半导体电阻率：
远高于本征电阻率。
(2) P-N结内的电流
E
If － 能量较高的多子穿透 内电场，方向为逆内电场
方向；
P
IG－ 在结区内由于热运动产 生的电子空穴对；
If
IG gWe
IS－ 少子扩散到结区。
IG，IS的方向为顺内电场方向。
平衡状态时： If IGIS
N
IG , IS
(3) 外加电场下的P-N结：
第十章
半导体探测器
Semiconductor Detector
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)。
1
e nn pp
cm
本征电阻率： S i 2.3105cm G e 5~ 0100cm
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。
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 LE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。