高纯锗探测器与其他探测器

电荷分布
电位
电场
灵敏区的电场
平面型的灵敏区电场均匀分布
E(x) V 0 d
d为灵敏区厚度 V0为偏置电压
同轴型的电场非均匀分布
E(r) V 0 r ln r 2 r1
r为灵敏区半径 式中r1和r2分别为未补偿的P芯半径
灵敏区的电容
平面型：
Cd

0 s
4d
32 1011 (F )
体积 cm 3 相对效A=率C（o(6%0)）1.3=3MeVga4m.m3a射线在
HPGe灵敏体积中的光电峰面积
4.3.3峰康比与峰形状
峰康比：
P

全能峰的峰值 康普顿平台的峰值
提高峰康比的方法：增大灵敏体积；选
着dd好NE孔的尽双几量逃何逸小形单峰）状逃；（逸高峰轴的长能等量于分直(辨全光径率能电，峰；峰中) 心
D
Cd
Cr
A0
U SC
U sr

Cd
Cr
Q
1
A0 C f
如果满足条件A0>>1, 1 A0 C f Cd Cr
则
U sr

Q A0C f
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
4.3.1能量分辨率
E E12 E22 E32 总能量分辨率 E1 2.36 F E 为载流子数的涨落 E2 2.36(ENC ) 为漏电流和噪声 E3 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
4.3.2探测效率
探测器的灵敏体积
探测效率的 影响因素
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
高纯锗探测器禁带宽度只有0.7 eV左右，，
其工保作证原Ge理晶与体工结作构于与半P导N节体状半态导，体并探防测止器电区子 别 不大因，为但温度体自积激较发小带，来且显厚著噪度声为。5mm-10mm， 常用另于外低整个能探或测X系射统线中的的前探置测放以大及器高通能常的与探带电 粒子测的器测安装量在。一起，前置放大器中的第一级场 其工效温作应度时晶 ，体 目需管 的要（ 是注为F意E了T两）减点也少被：FE冷T却噪至音接。近77 K 的 1.要因求此如其果工温作度升在高全（耗但在尽可状接态受范围内），可能观察 2.要到sp求探ec测在tru器m液漏中氮电低流温于的3度0显k下著eV升使的高用区，间（探内测7出7器现K漏）显电著流噪会音使信号，
RL
C
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。
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
Li＋漂移速度
dW (T )E
dt
当温度T 增大时，(T)增大，Li+漂移速度增
大。
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。

ay
y

az
z
ax

x

ay

y

az

z

2 2 2
x2 y 2 z 2
柱坐标中，电势的泊松方程
直角坐标
柱坐标
2

2
x 2

2
y 2

2
z 2
2

1 r
r
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。
Front metallization
Ohmic back contact
P Intrinsicve bias
voltage
同轴型：
l • 0 2
C 3 10 d r 2 ln 2
11(F )
r1
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： V (t) N 0 e ( we wh t) Cd
N V max
e
0
C
V
(t )

N0e C ln r2
ln(r0
we
r0
（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。
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。
εp=
全能峰可计以数看到在能量为 放射源发出20的0k射e线 V-数 3M目eV之间相
需εp是要射使线入能射量的的射函线数全，部对间因沉效的此积率关想在要灵与系高敏射近的体线 似探积能 为测当量 一效中之 条率通
常需要知道εp-Eγ的关系直曲线线。，一在般这采个用能刻量度区法。 间的探测效率相对来
说可以准确的获得。
1
HPGe的电容
U Q ln r 2
ln r 2
r1
r1
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
t
)

ln(r0
wh
r0
t
)
同轴型：
r1
e N 0 V max
C
tmax

2
r2

2
r1
ln
r2
2 hV 0 r1
5.1.3能量分辨率
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：
（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。
E(r) eNarV(eNa/4)(r22r21)
2
rln(r2r1)
电势的泊松方程 直角坐标
柱坐标
2
d2V (r) 1dV
(r)
dr 2


rdr

静电场的基本方程


ax
x
ay
y
az
z
积分形式:
微分形式：
S D dS q
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1010cm； I区厚度可达10～20mm， 为灵敏体积。 杂质浓度
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
（1）绝对全能 峰探测效率 εp
（2）相对效率
绝对全能峰左探探图测测为器H的效P效G率e率和刻εGp度e(曲Li) 线，是用能量和各能
全能峰——光电效量应射＋所线有分的支累比计已效知应 的
放射源进行刻度的，
εp有关的因素
射线的能 量有关
εp
与HPGe的灵 敏体积有关
源与探测器 的距离有关
相对探测效率
相对效率= A 由于相对效率与光电峰B的面积有关，而
光电峰与灵敏体积有关，因此，体积越 大B（效=1ϕC率.73o.36会(62M0c增)em1V加.×中3）37，光M.可6e电其2V表c峰gm间a示面）m的积为闪m关a烁如射系体下线（探公在测相N式器对aI 于
Li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＋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
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
什么是高纯锗探测器？
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。