半导体探测器讲解
合集下载
相关主题
- 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)。
的半导体称为N 型半导体。
电子浓度： n N D 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。
动的时间。只有当漂移长度 L E 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。
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
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
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)。
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： ni pi 1019 e EG / 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。
(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 1010 c，m
远高于本征电阻率。
(2) P-N结内的电流
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；
对N型半导体，电子的漂移速度为un nE
对P型半导体，空穴的漂移速度为up p E
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：
1
ห้องสมุดไป่ตู้ cm
e n n p p
本征电阻率： S i 2.3105 cm Ge 50 ~ 100 cm
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
n p
Cn Cp
e( e(
E1 EF EF E2
)/ )/
kT kT
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： n p CnC p e Eg / 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：
空穴浓度： p N A 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： 空穴浓度：
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 77ºK
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：
N E/w
2) 载流子的漂移
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.
ni2 pi2 ni pi n p
2) 补偿效应
对本征半导体： ni pi
对杂质半导体： n p ，但仍满足 n p ni2
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。
If
IG g W e
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： I f IG I S
E
N
IG , IS
(3) 外加电场下的P-N结：
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。
电子浓度： n N D 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。
动的时间。只有当漂移长度 L E 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。
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
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
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)。
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： ni pi 1019 e EG / 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。
(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 1010 c，m
远高于本征电阻率。
(2) P-N结内的电流
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；
对N型半导体，电子的漂移速度为un nE
对P型半导体，空穴的漂移速度为up p E
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：
1
ห้องสมุดไป่ตู้ cm
e n n p p
本征电阻率： S i 2.3105 cm Ge 50 ~ 100 cm
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
n p
Cn Cp
e( e(
E1 EF EF E2
)/ )/
kT kT
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： n p CnC p e Eg / 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：
空穴浓度： p N A 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： 空穴浓度：
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 77ºK
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：
N E/w
2) 载流子的漂移
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.
ni2 pi2 ni pi n p
2) 补偿效应
对本征半导体： ni pi
对杂质半导体： n p ，但仍满足 n p ni2
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。
If
IG g W e
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： I f IG I S
E
N
IG , IS
(3) 外加电场下的P-N结：
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。