半导体探测器解析

2.33 11.7 1.12/1.16 3.62/3.76
工作温度（K）
漂移迁移率 [cm2/(V.s)]
电子 空穴
少数载流子寿命τ (s)
电阻率(Ω·cm)
俘获长度(mm)
300/77 1450 450 103 104 103
能量 分辨率 FWHM (KeV)
55Fe, X 5.9KeV
241Am, 59.5KeV 57.Co, 122KeV
dE/dx (M.I.P.) ≈ 3.9 MeV/cm
≈ 102 e-h/µm (average)
• High carrier mobility
µe =1450cm2/ V.s, µh = 450 cm2/ V.s ⇒ fast charge collection (<10 ns)
• Very pure < 1ppm impurities
8.8 1.4～2.26 2.13
4.3
300/77 3900 1900 103 102 103
300 1100 100 6 109 1
300
300
1100
100
50
4
1.1×10-2 25
1011
1013
1
1.1
1.5
0.295
0.3
1.5
3
1.2
0.4
4.5
3.9
2.0
0.9
8
10
4.5
中国科大 汪晓莲 64.8
的载流子数目就多；产生得越多，电子与空穴复合的几率也越 大。在一定温度下，产生率和复合率达到相对平衡，半导体中 保持一定数目的载流子。
2020/10/27
中国科大 汪晓莲
6
• 载流子浓度：固体物理可以证明本征半导体内的载流 子平衡浓度
ni2
n
p
UT 3
exp
Eg kT
禁带宽度(eV) 绝对温度(K)
Biblioteka Baidu
• Rigidity of silicon allows thin self
外电场吸收能量跃迁到未被电子占据的能级上去，形成电流，起
2020/10/27导电作用。
中国科大 汪晓莲
3
• 禁带：满带和导带之间的禁区称为禁带，其宽度也称为 能隙，记做Eg。
• 导体、半导体和绝缘体之间的差别在于禁带宽度不同：
导体不存在禁带，满带和导电交织在一起； 105 cm
半导体禁带较窄，Eg=0.1-2.2eV 绝缘体禁带较宽，Eg=2-10eV
2. 导体、半导体、绝缘体的能带
由于电场力对电子的作用，使电子的运动速度和能量发生变化。
从能带论来看，电子能量变化就是电子从一个能级跃迁到另一个
能级上。
• 满带：被电子占满的能级，一般外电场作用时，其电子不形成电
流，对导电没有贡献，亦称价带。
• 导带：被电子部分占满的高能态能级，在外电场作用下，电子从
102 109 cm 1010 cm
由于能带取决于原子间距，所以Eg与温度和压力有关。一般禁带宽 度大的材料，耐高温性能和耐辐照性能好。
2020/10/27
中国科大 汪晓莲
4
几种半导体材料的性能参数
材料
Si
原子序数（Z）
14
密度（g/cm3） 介电常数 禁带宽度Eg(eV) 平均电离能W(eV)
锗Ge
n p 2.4 1013 / cm3
2020/10/27
中国科大 汪晓莲
7
Silicon Detector
Some characteristics of Silicon
crystals
• Small band gap Eg = 1.12 eV
⇒ 0(e-h pair) = 3.6 eV • High specific density 2.33 g/cm3
在热力学温度为零时，即使有外电场作用，它们并不导电。但 是当温度升高或有光照时，半导体满带中少量电子会获得能量 而被激发到导带上，这些电子在外电场作用下将参与导电。同 时满带中留下的空穴也参与导电。
• N型（电子型）半导体：导带内电子运动，参与导电。 • P型（空穴型）半导体：满带内空穴运动，参与导电。 • 载流子：是电子和空穴的统称。温度高，禁带宽度小，产生
0.136 0.40 0.55
137Cs, 662KeV 0.9
2020/10/22741Am,5.48MeV 13.5
Ge
CdTe
32
48、52
5.32
6.06
15.7
4.46
0.67/0.74 1.47
2.80/2.96 4.46
CdZnTe HgI2 48、30、 80、53 52 5.9～5.95 6.4
第四章 半导体探测器
§4-1 半导体的基本知识和探测器 的工作原理 §4-2 能量测量半导体探测器 §4-3 半导体探测器的主要参量 §4-4 位置测量半导体探测器 §4-5 半导体探测器的应用
Semiconductor Detector
• 优点：
1）很高的能量分辨率，比气体探测器大约高一个数量级， 比闪烁计数器高的更多。因为在半导体中电离产生一 对电子－空穴对只需要3eV左右的能量；带电粒子在半 导体中的能量损失很多，在硅晶体中大约为3.9MeV/ cm，所以能量相同的带电粒子在半导体中产生的电子 －空穴对数比在气体中产生的离子对数高一个数量级 以上。这样,电离对数的统计误差比气体小很多。
每立方厘米体积中电子与空穴的浓度 比例系数
玻尔兹曼常数
不含杂质的理想本征半导体的载流子浓度
硅Si
ni2
1.5 1033T 3
exp
1.21 kT
锗Ge
ni2
3.11032T 3
exp
0.785 kT
在室温下，t 300K，本征半导体载流子浓度
硅Si
n p 1.51010 / cm3
2）很宽的能量响应线性范围
3）很快的响应时间，ns量级，高计数率>108/cm2·s
4）体积小
5）很好的位置分辨率，好于1.4 m。
• 缺点：对辐射损伤灵敏
2020/10/27
中国科大 汪晓莲
2
§4-1 半导体的基本知识和
探测器的工作原理
一、半导体的基本知识
1. 固体的导电性：
物体导电是物体内电子在外电场作用下定向运动的结果。
CdSe 48、34 5.74
1.70
300 650 65 10-3 1012
5.9
GaAs 31、33
5.36 12.5 1.43 4.35 300 8600 1000 0.1 107 1
2.6
5
3.本征半导体
• 理想的不含杂质的半导体称为本征半导体，导带上的电子数
目严格等于满带上的空穴数目，n=p 。 • 一般情况下，半导体的满带完全被电子占满，导带中没有电子。