半导体探测器讲解
半导体可燃气体探测器原理
半导体可燃气体探测器原理引言：半导体可燃气体探测器是一种常见的气体检测仪器，广泛应用于工业、家庭和公共场所。
它可以快速、准确地检测可燃性气体的浓度，从而及时采取措施防止火灾和爆炸事故的发生。
本文将介绍半导体可燃气体探测器的工作原理。
一、半导体传感器原理半导体可燃气体探测器的核心部件是半导体传感器。
半导体传感器由两个电极、气敏元件和电路组成。
气敏元件通常由金属氧化物或半导体材料制成。
当可燃气体进入传感器内部，会与气敏元件表面发生化学反应，改变元件的电学特性。
二、电阻式传感器工作原理电阻式传感器是半导体可燃气体探测器中最常见的一种。
它的工作原理基于气敏元件的电阻随着气体浓度的变化而改变。
当没有可燃气体存在时，气敏元件的电阻保持在一个相对稳定的范围内。
但当有可燃气体进入传感器时，气敏元件的电阻会发生明显变化。
这是因为可燃气体与气敏元件表面的化学反应导致电子的输运性质发生改变，进而影响电阻值。
三、工作原理详解半导体传感器的工作原理可以分为两个阶段：加热阶段和检测阶段。
1. 加热阶段：半导体传感器的加热阶段是为了提高传感器的灵敏度和稳定性。
加热电路会通电产生热量，使传感器的工作温度升高到一定范围。
在这个温度下，传感器的电阻值保持在一个相对稳定的范围内。
2. 检测阶段：当加热阶段完成后，传感器进入检测阶段。
此时，可燃气体进入传感器并与气敏元件表面发生化学反应。
这种化学反应会改变气敏元件的电阻值。
探测器内部的电路会测量和记录电阻值的变化，并将其转化为相应的气体浓度。
四、工作特点半导体可燃气体探测器具有以下特点：1. 灵敏度高：半导体传感器对可燃气体具有很高的灵敏度，能够快速、准确地检测低浓度的可燃气体。
2. 响应速度快：半导体可燃气体探测器的响应时间一般在几秒钟到几分钟之间，可以实时监测气体浓度的变化。
3. 使用方便：半导体可燃气体探测器体积小巧、重量轻，便于携带和安装。
同时，它的操作简单，不需要复杂的调试和维护。
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。
5-5半导体探测器的应用
å S µZ
i
2
Front-end electronics
p-side
n-side
VA64hdr
10 VAs on the p-side (Y direction) 6 VAs on the n-side (X direction)
Each VA reads 64 channels
• Each VA produces a signal with different characteristics • In particular differences in the gain are observed • FEE response curve is deliberately non-linear, different for p and n
2012/11/14
12
CMS硅微条径迹探测器
• 每个花瓣安装17－28个 不等的硅探测器
2012/11/14
Байду номын сангаас
中国科大 汪晓莲
13
五、在空间物理和宇宙线实验中的应用
1. AMS
丁肇中先生领导的AMS组, 计划 把磁谱仪AMS(Alpha Magnetic Spectromenter) 送到国际空间站 ISSA (International Space Station Alpha), 在宇宙线中寻找反物质和 暗物质。AMS 的中间核心部分的 多层径迹室都是采用双边读出的 硅微条探测器。谱仪的体积不大 (直径和高才1m多) , 但这些精密 的径迹探测器与谱仪中的永久磁 铁、飞行时间计数器、契伦科夫 探测器、量能器等紧密配合, 可能 会为天体物理和宇宙线科学作出 非常卓越的贡献。
每一片SVXIIb就有128 路读出。
半导体光电探测器的原理及其应用
半导体光电探测器之阳早格格创做纲要：本文介绍了光电与系统的组成、一些半导体光电探测器的处事本理及其个性，末尾叙述了光电导探测器与光伏探测器的辨别.闭键词汇：半导体光电探测器，光电系统，光电导探测器，光伏探测器弁止光电探测器是一种受光器件,具备光电变更功能.光敏器件的种类繁琐,有光敏电阻、光电二极管、光电三极管、光晶闸管、集成光敏器件等;有雪崩型的及非雪崩型的;有PN 结型、PIN结型及同量结型的等.由于光电探测器的赞同速度快,体积小,暗电流小,使之正在光纤通讯系统、光纤尝试系统、光纤传感器、光断绝器、彩电光纤传输、电视图象传输、赶快光源的光探测器、微小光旗号的探测、激光测距仪的接支器件、下压电路中的光电丈量及光电互感器、估计机数据传输、光电自动统造及光丈量等圆里得到了广大应用.半导体光电探测器是用半导体资料创造的能接支战探测光辐射的器件.光映照到器件的光敏区时，它便能将光旗号转形成电旗号，是一种光电变更功能的测光元件.它正在国防战工农业死产中有着要害战广大的应用.半导体光电探测器可分为光电导型战光伏型二种.光电导型是指百般半导体光电导管，即光敏电阻；光伏型包罗光电池、P-N结光电二极管、PIN光电二级管、雪崩光电二极管、光电三级管等.本文最先介绍了光电系统的组成，而后分别介绍其处事本理及其个性，末尾将那二类探测器举止比较.一、光电子系统的组成系统又称为收射天线，果为光波是一种电磁波，收射光教系统所起的效率战无线电收射天线所起的效率真足相共.收支进去的光旗号通过传输介量，如大气等，到达接支端.由接支光教系统或者接支天线将光散焦到光电探测器上，光电过少距离传输后会衰减，使接支到的旗号普遍很强，果此需要用前置搁大器将其搁大，而后举止解码，还本成收支端本初的待传递旗号，末尾由末端隐现器隐现出去.图1-1光电子系统图二、半导体探测器的本理1、光电导探测器光电导探测器主假如通过电阳值的变更去检测，以下尔将以光敏电阻为例介绍其处事本理.光敏电阻又称光导管, 它不极性, 杂粹是一个电阻器件, 使用时既可加曲流电压, 也不妨加接流电压.无光照时, 光敏电阻值（暗电阻）很大, 电路中电流（暗电流）很小. 当光敏电阻受到一定波少范畴的光照时, 它的阻值（明电阻）慢遽缩小, 电路中电流赶快删大. 普遍期视暗电阻越大越佳, 明电阻越小越佳,此时光敏电阻的敏捷度下. 本量光敏电阻的暗电阻值普遍正在兆欧级, 明电阻正在几千欧以下.它的处事本理图如2-1图当不光照时，Rd=10断路当有光照时，Rd= 导通2、光伏探测器光伏探测器鉴于光照爆收电势好，用测电势好的本理.它分为光电池与光电二极管二种典型，光电池主假如把光能变更为电能的器件，暂时有硒光电池、硅光电池、砷化镓及锗光电池等，但是暂时使用最广的是硅光电池.光电二级管分为P-N结光电二极管、PIN光电二级管、雪崩光电二极管、光电三级管等.以下尔将分别介绍其处事本理及其个性. 1）P-N结光电二级管2）PIN光电二级管PIN光电二极管又称赶快光电二极管，与普遍的光电二极管相比，它具备不的时间常量，并使光谱赞同范转背少波目标移动，其峰值波少可移至1.04~1.06um而与YAG激光器的收射波少相对于应.它具备敏捷度下的便宜，所以通时常使用于强光检测（线性）.它的结构图如2-3所示，它是由P型半导体战N型半导体之间夹了一层本征半导体形成的.果为本征半导体近似于介量，那便相称于删大了P-N结结电容二个电极之间的距离，使结电容变得很小.其次，P型半导体战N型半导体中耗尽层的宽度是随反背电压减少而加宽的，随着反偏偏压的删大，结电容也要变得很小.由于I层的存留，而P区普遍干得很薄，进射光子只可正在I层内被吸支，而反背偏偏压主要集结正在I区，产死下电场区，I区的光死载流子正在强电场效率下加速疏通，所以载流子渡越时间常量（）减小，进而革新了光电二极管的频次赞同.共时I层的引进加大了耗尽区，展宽了光电变更的灵验处事地区，进而使敏捷度得以普及.3）雪崩光电二级管雪崩光电二级管（APD）是得用光死载流子正在下电场区内的雪崩效力而赢得光电流删益，具备敏捷度下、赞同快等便宜，通时常使用于激光测距、激光雷达、强光检测（非线性）.APD雪崩倍删的历程是：当光电二极管的p-n结加相称大的反背偏偏压时，正在耗尽层内将爆收一个很下的电场，它脚以使正在强电场区漂移的光死载流子赢得充分的动能，通过与晶格本子碰碰将爆收新的电子-空穴对于.新的电子-空穴对于正在强电场效率下，分别背好同的目标疏通，正在疏通历程中又大概与本子碰碰再一次爆收新的电子-空穴对于.如许反复，产死雪崩式的载流子倍减少.那个历程便是APD的处事前提.APD普遍正在略矮于反背北脱电压值的反偏偏压下处事.正在无光照时，p-n结不会爆收雪崩倍删效力.但是结区一朝有光映照，激励出的光死载流子便被临界强电场加速而引导雪崩倍删.若反背偏偏压大于反背打脱电压时，光电流的删益可达（十的六次圆）即爆收“自持雪崩倍删”.由于那时出现的集粒噪声可删大到搁大器的噪声火仄，以以致器件无法使用.4）光电三级管光电三级管与光电二极管比较，光电三级管输出电流较大，普遍正在毫安级，但是光照个性较好，多用于央供输出电流较大的场合.光电三极管有pnp战npn型二种结构，时常使用资料有硅战锗.比圆用硅资料创造的npn型结有3DU型，pnp型有3CU型.采与硅npn型光电三极管，其暗电流比锗光电三极管小，且受温度变更效率小，所以得到位广大应用.底下以3DU型光电三极管为例证明它的结构、处事本理与主要个性.3DU型光电三极管是以p型硅为基极的三极管，如图2-4（a）所示.由图可知，3DU管的结媾战一般晶体管类似，不过正在资料的掺杂情况、结里积的大小战基极引线的树立上战一般晶体管分歧.果为光电三极管要赞同光辐射，受光里即集电结（bc结）里积比普遍晶体管大.其余，它是利用光统造集电极电流的，所以正在基极上既可树立引线举止电统造，也不妨不设，真足共光一统造.它的处事本理是处事时各电极所加的电压与一般晶体管相共，即要包管集电结反偏偏置，收射正偏偏听偏偏置.由于集电结是反偏偏压，正在结区有很强的内修电场，对于3DU管去道，内修电场目标是由c到b的.战光电二极管处事本理相共，如果有光照到集电结上，激励电子-空穴对于，接着那些载流子被内修电场分散，电子流背集电极，空穴流背基极，相称于中界背基极注进一个统造电流Ib=Ip.果为收射打队结是正偏偏置的，空穴则留正在基区，使基极电位降下，收射极便有洪量电子经基极流背集电极，总的集电极电流为Ic=Ip+βIp=(1+β)Ip，式中β为电流删益系数.由此可睹，光电三极管的集电结是光电变更部分.共时集电极、基极、收射极形成一个有搁大效率的晶体管.所以正在本理上不妨把它瞅万里一个由光电二极管与一般晶体管分散而成的拉拢件，如图2-4(b)所示.光电三级管另一个个性是它的明暗电流比要比光电二极管、光电池、光电导探测器大，所以光电三极管是用去做光启闭的理念元件.3．光电导探测器与电伏探测器的辨别1）光电导探测器是均值的，而光伏探测器是结型的.2）光。
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。
半导体探测器概述
原因是不满足上面提到的要求。
常用半导体材料：Si、Ge 目前纯度最高的硅的电阻率大约为105Ωcm，如果将厚度为1mm 的这种硅片切成面积为1cm2，当加上100V的电压时，则有
0.01A的电流流过，显然，这么大的漏电流将会把待测信号全
部湮没。一个好的探测器的漏电流应该在－10-9A。
5
§1.基本原理—概述
一个半导体的PN结能满足前面提到的三个条件，因而可以构
成核辐射探测器。
半导体的PN结内电阻很高，加上反向电压后，电压几乎完全 降落在结区，在结区形成一个足够强的电场，而几乎没有漏 电流流过。 当带电离子射入结区后，通过与半导体材料相互作用，很快 地损失掉能量，带电离子所损失的能量在结区中形成了可以 导电的电子－空穴对。 在电场的作用下，电子和空穴分别向两极漂移，于是在输出 回路中形成信号。
4)受主杂质
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。
8
空穴浓度：
p NA
受主杂质浓度
§1.基本原理—概述
3
相对统计涨落也就小得多，所以半导体探测器的能量分辨率很高。
§1.基本原理—概述
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。 半导体探测器的探测原理与电离室类似，只是探测介质是半导体
电离室能够成为一个探测器应满足三个条件 ：
7
§1.基本原理—概述
3) 施主杂质
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。掺有施主杂质的半导体称为N 型半导体。 电子浓度： n N D 施主杂质浓度
闪烁体、半导体、电离室探测器比较
闪烁体、半导体、电离室三大类探测器比较（闪烁体）碘化钠探头：他的激活剂是(TI)，对γ射线，当能量大于150keV时响应是线性的；对质子和电子，线性响应范围很宽，光输出和能量的关系接近通过原点的直线，仅在能量低于几百keV（对电子）和（1~2）MeV（对质子）时才偏离直线；对α粒子，能量大于4~5MeV后近似线性，但其直线部分延长不过原点。
因此测量α粒子（或其他重粒子）时，比须进行能量校准。
NaI(TI)烁体的主要优点是密度大，原子序数高，因而对γ射线探测效率高。
另外它的发光效率高，因而能量分辨率也较好。
它的缺点是容易潮解，因此使用必须密封。
碘化铯探头：CsI(TI)碘化铯是另一种碱金属卤化物，作为闪烁体材料常用铊或纳作激活剂。
铊的能量线性与碘化钠的接近，能量分辨率比碘化钠的差一些。
碘化铯的密度和平均原子序数比碘化钠更大，因此对γ射线的探测效率也更高。
与碘化钠相比，碘化铯的机械强度大，易于加工成薄片或做成极薄的蒸发薄膜。
此外，它不易潮解，也不易氧化。
但若暴露在水或高湿度环境中它也会变质。
碘化铯的主要缺点是光输出比较低，原材料价格较贵。
锗酸铋探头：与碘化钠（TI）同体积时，探测效率比碘化钠的高的多。
对0.511MeVγ光子，与NaI(TI)、CsF、和Ge半导体、塑料闪烁体相比，锗酸铋(BGO)有最大的效率和最好的信噪比。
BGO主要用于探测低能x射线、高能γ射线以及高能电子。
在低能区（<<0.5MeV）的能量分辨率比碘化钠的差，例如对于0.511MeV的γ射线，BGO的时间分辨为1.9ns，而碘化钠NaI(TI)的的为0.75ns。
BGO的主要缺点是折射率较高，尺寸大的BGO难以将光输出去。
价格高。
硫化锌：ZnS（Ag）它对α粒子的发光效率高，而对γ射线和电子不灵敏，很适合在强β、γ本底下探测重带点粒子如α、核裂片等，探测效率可达100%。
laBr3是新型卤化物闪烁体，其基本性能已经全面超越了传统的碘化钠闪烁体，谱仪具有比碘化钠更好的能量分辨率、峰形和稳定性。
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。
半导体探测器的设计与应用研究
半导体探测器的设计与应用研究半导体探测器是一种利用半导体材料制成的探测器，用于探测辐射、粒子等物理量。
其广泛应用于核物理、天文学、医学等领域，并在探测技术的发展中起到重要的作用。
本文将着重讲述半导体探测器的设计与应用研究。
一、半导体探测器的基本原理半导体探测器主要由探测器体、电极和放大器组成。
在工作时，粒子在探测器体内产生电离电子对，通过电极引导到放大器进行测量，进而实现对辐射或粒子的探测。
半导体探测器的探测效率和分辨率都非常高，具有快速响应、高精度和良好稳定性等特点，很多其他探测器无法比拟。
二、半导体探测器的设计半导体探测器的设计是一项重要的工作，需要综合考虑探测器体的制作方法、电极的设计、放大器的参数等多个因素。
以下是一些常见的探测器设计方法：1. PN结探测器在硅片上形成P型和N型区域，形成PN结。
在PN结处，电阻率较高，能够收集电子和空穴，并可以输出信号。
因其制作简单，因此被广泛应用于实际生产中。
2. PIN探测器PIN探测器与PN结探测器的区别在于，其中间一段是I型（无夹杂杂质），电压降低，探测效率和时间分辨率都得到了提升。
缺点是造价高，应用范围更为有限。
3. 堆积探测器通过将多个PN或PIN结叠加在一起，形成一种能够优化效率、减小体积的探测器。
堆积探测器的制作难度较高，但可以在核仪器、粒子物理等领域中发挥关键作用。
三、半导体探测器的应用研究半导体探测器在科学研究和应用开发中都具有非常广泛的应用。
几乎所有与辐射和粒子有关的学科都可以使用半导体探测器进行测量。
以下是一些常见的应用领域：1. 核物理半导体探测器可以用于辐射测量，尤其可以测定中子、质子、α等粒子的能量。
因此在核物理实验中有着广泛的应用，例如沉积能量测量、核轰炸轻元素发射等实验。
2. 天文学半导体探测器可以用于天文学中，例如探测X射线、γ射线等能量高的辐射源，可以进行行星和恒星辐射测量，以及探测星际等离子体等。
3. 医学半导体探测器可以用于医学成像，例如PET和SPECT探测器用于红外荧光成像，CT扫描等。
半导体光电探测器原理及优化方法
半导体光电探测器原理及优化方法半导体光电探测器是一种能够将光信号转化为电信号的器件，广泛应用于光通信、光电子学、光学传感等领域。
本文将介绍半导体光电探测器的工作原理，并探讨其优化方法。
一、原理半导体光电探测器是通过光生或热生成电荷载流子来实现光电转换的。
其工作原理主要涉及以下几个关键过程：1. 光吸收：当光照射到半导体材料上时，光子与原子之间发生相互作用，导致电子能级的跃迁。
这种跃迁可以通过直接带隙吸收或间接带隙吸收来实现。
2. 电荷生成：吸收能量的光子会激发半导体材料内的电子从价带跃迁到导带，形成自由电子和空穴。
这种电子空穴对的形成可以通过光电效应或热激励来实现。
3. 电荷传输：生成的电子和空穴会在半导体内发生迁移，并在外加电场的作用下分别向电极移动。
这种电荷迁移过程可以通过扩散、漂移和电场效应来实现。
4. 电荷收集：最后，电子和空穴会在电极上被收集形成电流信号。
这个过程需要有效的电荷收集区域和电荷收集结构来实现高效的电流转换。
二、优化方法为了提高半导体光电探测器的性能，可以采取以下一些优化方法：1. 材料选择：不同的半导体材料具有不同的带隙结构和光吸收特性。
根据实际需求，选择能够匹配光源波长、具有较高吸收系数和较小吸收损耗的材料，可以提高光电转换效率。
2. 结构设计：优化器件的结构设计能够有效提高电子和空穴的收集效率。
例如，在光电探测器的表面引入光栅结构，可以增加光电子的吸收深度和电子在电极上的收集效率。
3. 探测区域增大：增大探测区域可以提高器件接收光信号的能力。
通过工艺优化，增大活动面积，可以有效提高器件的灵敏度和响应速度。
4. 降低噪声：降低器件的噪声水平对于提高探测器的信噪比非常重要。
采取合适的工艺控制和电路设计，降低暗电流和暗电流噪声，可以有效提高器件的信号检测精度。
5. 温度控制：温度对半导体光电探测器的工作性能影响较大。
保持器件在适宜的温度范围内工作，可以提高器件的稳定性和可靠性。
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。
sdd探测器原理
sdd探测器原理
SDD探测器是一种半导体探测器，其原理基于内部增益机制。
SDD 探测器的主要部分是由高度纯化的硅芯片制成的PN结构。
当光子进入探测器时，它们会与硅原子相互作用，导致电子被激发并离开其原子轨道。
这些离开原子轨道的电子被称为电子-空穴对。
电子会被加速到PN结的反向偏置区域，而空穴则会被加速到正向偏置区域。
在PN结的反向偏置区域，电子会被吸引到一个特殊的结构中，它被称为“衬底场效应晶体管”。
这个结构可以增加电子的运动，从而使它们在硅晶体中发生更多的碰撞，产生更多的电子-空穴对。
这种内部增益机制使SDD探测器具有高的信号噪声比和能量分辨率。
SDD探测器还可以通过控制偏置电压和增益系数来优化其性能。
较高的偏置电压可以提高增益，从而提高灵敏度和分辨率。
增益系数可以通过控制探测器的结构和材料来调整。
总的来说，SDD探测器是一种高效、高精度的探测器，可用于各种应用，如X射线光谱学、质谱学和核物理学。
- 1 -。
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。
半导体光电探测器PPT课件
计量起伏噪声（以起伏噪声电压 n ( t为) 例，噪声电流 i n ( t )类似）
n (t) 0噪声电压平均值的瞬间振幅和相位随时间呈无规则变化
___
2 n
均方值完全确定，表示单位电阻上所消耗的噪声平均功率
___
2 n
—计量噪声电压大小
___
2 n
—起伏噪声电压有效值
____记__为_____V_n2
光电导探测器
光电导探测器（弱辐射下）
设模型为N型材料（P型同此分析）
若光功率P沿x方向均匀入射，光电导材料的吸收系数为
则入射光功率在材料内部沿x方向的变化为
P(x)Pexp(x) （P为x=0处入射功率）
x处光生载流子的浓度设为n(x)
外加电场下，光电子的漂移电流密度光为生载流子的稳产态生率件和下复合率相等
发射的光电子数也总是围绕一个统计平均值做无规则伏。
内光电探测器中，光生载流子的产生和复合的随机性，
通过PN结的载流数总有微小的不规则起伏。
定义：
散粒噪声的均方值
Vn22eG2I0R2f
I 0 —通过探测器的平均电流
In2 2eG2I0f
Ｇ—探测器的电流内增益
#
.
22
光电探测器的噪声
低频噪声
来源：目前尚不清楚。
n和p
分别是电子和空穴浓度的增量，即光生载流子
浓度
截止波长
c
1.24 Eg (eV)
(m)
入射光子的能量须不低于本征半导 体的禁带宽度，既存在“红限”
.
# 28
光电导探测器
光电导效应
杂质半导体
光电导率增量
n enn
p enp
（N型） 电子 浓度增量 （P型） 空穴浓度增量
5半导体探测器 (1)
2. 光生伏特效应
半导体材料吸收光能后,在PN结上产生电动势的效应。
半导体光吸收的五种机理
本征吸收：电子吸收能量大于Eg的光子由价带 跃迁至导带，产生电子-空穴对.(带间跃迁光 吸收) 激子吸收：处于亚稳状态的电子 - 空穴组成的 激子，吸收入射光子能量而产生电子-空穴对. 晶格振动吸收.
不同材料吸收系数()与波长的关系
截止波长c由其带隙能量 Eg决定： c = hc / Eg (1) 入射 > 截止 hv入射不足以激励出电子
(2) 入射 < 截止 材料对光子开始吸收
(3) 入射 < < 截止 材料吸收强烈 (很大) 光的透射力变得很弱
例
有一个GaAs光电二极管，在300 k时其带隙能量为 1.43 eV，其截止波长为：
半导体探测器
Semiconductor Detectors
1
光探测器的机理分类 外光电效应 普通光电发射 金属光电效应—光电倍增管 光电导：本征，非本征
光子效应
内光电效应
光伏效应：PN结，PIN结，雪崩， 异质结
肖特基势垒 量子阱，体光伏效应 光电晶体管
热效应
波相互作 用效应
热辐射效应，热电效应，温差电效应，液晶
w
)
实际检测器的量子效率一般在30%-95%之间。增加量子效 率的办法是增加耗尽区的厚度，使大部分的入射光子可以被 吸收。但是耗尽区越宽，pin的响应速度会变慢。因此二者 构成一对折衷。
• 改变入射面上的反射率（抗反射膜） • 改变吸收系数 • 改变吸收区的厚度
为什么光电二极管选择强反偏的工作模式？
16
p-i-n光电二极管
反偏PIN光电二极管的结构、能级图、电荷和电场分布
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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；
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)。
半导体电阻率：
1
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
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 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。
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
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
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
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。
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.
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
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：
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。
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。
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：