探测器的相关概念

高能射线穿过固态探测器时与介质晶体之间的相互作用是通过弹

性散射、光电吸收、康普顿散射以及附生电子-正电子对四种机制进

行的。其中，光电吸收和康普顿散射是较为主要的过程。在这个过

程中，入射光子的能量被介质材料中原子的外层电子所吸收，获得

能量后的电子由满带跃迁到导带，在导带上产生额外的电子，在满

带上留下空穴。与此同时，该电子还通过康普顿效应与半导体晶格

发生相互作用，将能量传递给后者。上述过程会产生大量的电子一

空穴对。如果此时在介质晶体两端加上足够高的外电场，那么这些

载流子将分别向两电极漂移，从而在探测器电极上形成一个脉冲电

流。

该电流经前置放大器放大后产生一个高度与探测器电流的时间积分成正比的输出电压脉冲。此电压脉冲通过成形放大器转换为高斯脉冲，进一步放大成形，在过滤掉背景噪声后，使信一噪比达到最高，然后将其输入多道脉冲幅度分析仪，由其记录在每个道数(道数表示脉冲的高度)上所测量到的脉冲数量并分别以数据和图谱的形式呈现出来。由于射线的能量与所产生的载流子数量成正比，而探测器内电流的时间积分又正比于载流子的数量，因此前置放大器产生的电压脉冲正比于入射射线的能量。最后多道分析仪给出的数据和图谱就表示了射线的能谱。

(l) 原子序数高：提高辐射粒子与探测材料原子之间相互作用的效果。

光电效应截面大小与γ射线能量和吸收物质的原子序数有关。粗略地

讲，随光子能量增大而减小，随Z的增大而增大。可由量子力学计算

公式得到。

(2) 禁带宽度大：控制热生电流。可探测到高能射线，提高高能射线

分辨率。并获得电阻高，漏电流低，从而降低探测器工作时的噪音

(3)高电阻率：高的电阻率可以使得探测器在高电压下具有低的漏电

流，这对于降低探测器工作噪声，提高能量分辨率。

(4)较高的本征μτ值(μ载流子迁移率,τ载流子寿命)。载流子的漂移

程是由载流子迁移率、载流子寿命以及应用电场的乘积所决定的。载

流子在被材料中的缺陷俘获中心俘获前的平均寿命与材料的不完整

性密切相关。而载流子的收集效率则取决于单位时间内光生载流子漂

移程与介质材料厚度的比例大小。理想情况下，载流子漂移程应该远

远大于介质材料的厚度，这样方能保证对载流子有一个完全的收集。

(5)能够制备出大体积的高纯度、低缺陷均匀材料。这是因为，大的探

测体积有利于接受更多的入射光子，这将显著提高探测器的灵敏度和

收集效率，缩短响应时间，从而提高探测效率。而高的纯度，好的均

匀性以及低的缺陷密度能够带来低的漏电流，优良的载流子传输特

性，同时能够避免在探测器两极间产生短路。

(6)易于在材料表面制备无极化效应的欧姆接触或肖特基势垒接触电极。满足该条件的探测器能耐承受高的反向偏压，漏电流小且正向电阻也小。

通常认为，Zn 的掺入量决定了本征Cd1-xZnxTe晶体的电阻率和禁带

宽度，即Zn 的掺入量越高，晶体的电阻率越高，禁带宽度越大。因

此，前人一般倾向于选择高的x 值( x = 0.1-0.2) 来生长晶体，但是大

的x 值会使晶体的熔点升高，加大了晶体生长的难度，影响了所获得

的晶体的质量，晶体偏离了本征态。在熔体法生长CdZnTe晶体时，

随Zn含量的增加，熔点会提高，在熔点温度下，晶体内各组元，尤

其是镉具有较高的平衡蒸汽压，一部分Cd从熔体中挥发，在晶体中

产生大量的镉空位，并使富余的T碲析出形成碲沉淀相，破坏了晶体

的化学计量比。Cd空位具有受主特性，相当于在晶体中掺杂，因而

显著提高晶体内载流子浓度，从而降低了电阻率。

沉淀的碲颗粒作为微观散射中心，对在晶体中转播的光有强的散射作用，从而极大程度地降低晶体的红外透过率。

要增加CZT晶体的电阻率，就必须对其中的Cd空位和Te反空位进行补

偿。一个有效的补偿办法就是向其中引入施主掺杂，通过复合Cd空位等

受主能级来钉扎禁带中的Fermi能级，从而达到提高电阻率的目的。由于

CZT属于Ⅱ-Ⅵ族化合物，因此，ⅢA族的元素In、Al、Ga以及ⅦB族的

Cl、Br、I等元素都是合适的施主掺杂元素，能够在填补晶体中空位的同

时提供多余的电子。但是，ⅦB族元素较为活泼，在CZT中不易长期稳

定存在。而ⅢA族中的Al和Ga原子量较小，容易在晶体中形成间隙原

子，不利于发挥其补偿作用。In的原子量与CZT中的主元素Cd和Te的

原子量接近，能够以替位原子的形式在CZT中稳定存在。

在理想条件下向晶体中掺入In，能使得施主得到补偿，同时又不会降低该材料的其他关键性能，从而在提高晶体对γ射线敏感性的同时，极大地提高电阻率。铟作用有三：一是补偿晶体中的空位，二是对结晶性能有一定的影响，最后成为晶锭中的添加杂质。

制备方法主要有高压布里奇曼法(HPB), 垂直布里奇曼法(VB), 水平

布里奇曼法(HB), 移动加热器法(THM), 热交换法(HEM), 垂直梯度凝固

法(VGF)。In是典型的IIIA族元素，5s5p型。所以其在CdZnTe晶体中替

代Cd位为施主缺陷，可能可以获得高阻材料，也可能获得n型低阻材料。

该实验选用低压垂直布里奇曼生长法（LPVB）制备化学计量比为0.1

的碲锌镉（CZT）晶体试样。为了准确的确定出从Zn初始含量为10%的

CdZnTe晶体中的Zn含量变化对装置性能的影响，通过在各组实验内改

变晶锭中铟的含量，来实现高阻区位置的变化。主要目的，就是达到可

以在Zn含量保持不变的条件下改变各组实验高阻区的位置，从而使整个

实验的唯一变量成为Zn含量在晶锭径向的改变。因锌的分凝系数大于1，

故在晶锭的轴向存在一定的成分偏析。在轴向上有一定的改变。

首先对CdZnTe晶体切片，在用溴-溴化氰-乙烯乙二醇溶液进行化学抛

光。再用傅里叶近红外光谱仪对碲锌镉晶片吸收波长进行测量。将所得

数据代入下面的Hirano等人推导出的锌浓度的等式中，其中λ是对应吸

收系数α= 10 cm-1的波长，计算出锌的浓度。图是同一碲锌镉晶锭上几

个不同切片的FTIR曲线,最右侧的是一个碲化镉试样的FTIR曲线作为参

比。以一个已知禁带宽度为1.446eV的碲化镉试样为参考。把从Hirano

等人推导出的锌浓度的方程中计算出的锌的浓度列成表。在可以看出，

底部区域，即先凝固的部分的Zn浓度要比后凝固的部分，顶部区域的浓

度要高。因为k Zn>1，故先凝固部分中的含量有高于后凝固部分的趋势。通过计算发现，当透过率为百分之五十时的对应波长计算出的锌浓度，在锌浓度越大，实际值与公式的符合度的越高。然后利用一阶质量平衡方程进行计算（我理解的应该是计算熔体初始浓度）。其中Mj为子体系j的质量，cj为元素i在子体系j中的浓度，ej为子体系j中元素i的同位素组成与原始体系的相对偏差值。

假设材料混合充分，分凝系数可由下面的方程中计算得出：Cs（x）是Zn在固相中的浓度，C0是Zn在初始熔体中的浓度，l是晶体的长度，x是已凝固部分占总体的比例，k是分凝系数。把表1的数据代入上述方程，可以得到一系列分凝系数k，其值在1.25-1.42范围内。

上图展示了由实验中分凝系数计算方程计算所获得的不同k值的分

布情况。对应的分凝系数为1.34，这个结果相对比较好，大概处于测试

结果的中间部分。同时，也可以和其他测试出的分凝系数做一比较。

因为锌比镉有更大的固化趋势，所以初始固相中的锌镉比高于初始液相。

随着固相的增加，锌浓度开始逐渐降低。可以看到当生长结束时，液相

中Zn浓度降低了将近4%。当初始浓度C0为9.5%时，曲线与实验结果

的拟合得更好，这可能是由于在生长结束后，后长成的固相在相对较高

的温度下发生了固态扩散。