核辐射测量原理 (6)

2ε
2ε
则势垒高度V0:
V0
-a
-
b
=
eN A 2ε
b2
+
eN D 2ε
a2
又因：N Da N Ab
所以： (a + b)b = 2εV0 eN A
(a + b)a = 2εV0 eN D
15
(a + b)b = 2εV0 eN A
(a + b)a = 2εV0 eN D
耗尽区的总宽度：d = a + b
E
-
+
If P
N
IG , IS
12
2) P-N结半导体探测器的特点
(1) 结区的空间电荷分布，电场分布及电位分布
P-N结内N区和P区的电荷密度分别为：
(
x)
eeNNDA
(a x 0) (0 x b)
n-type
p-type
N
P
+++++ +++++ +++++
-------------------------------
(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。 9
(2) P-N结的漏电流
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；
形成P-N结。
工艺成熟、简单、价廉。 对光灵敏，探测带电粒子时探测器必须在 真空密封条件下；窗薄，不能用手摸镀金面。
20
2) 扩散结(Diffused Junction)型探测器
采用扩散工艺——高温扩散或离子注入； 材料一般选用P型高阻硅；在电极引出时一 定要保证为欧姆接触，以防止形成另外的 结。 室温下测β射线和X射线。
30
3) 由于PIN探测器能量分辨率的大大提高， 开创了谱学的新阶段。 Li漂移探测器的问题：低温下保存代价很 高；漂移的生产周期很长，约30～60天。
31
6.4 高纯锗(HPGe)半导体探测器
由耗尽层厚度的公式：
1/ 2
d
=
2εV0 eN i
V0
降低杂质的浓度Ni可提高耗尽层的厚度。
23
(2) 探测器和电子学噪声
探测器的噪声由P-N结反向电流及表面漏电 流的涨落造成； 电子学噪声主要由第一级FET 构成，包括：零电容噪声和噪声斜率。
噪声的表示方法：等效噪声电荷ENC，即放 大器输出端的噪声的均方根值等效于放大器输 入端的噪声电荷，以电子电荷为单位；由于噪 声叠加在射线产生的信号上，使谱线进一步加 宽，参照产生信号的射线的能量，用FWHM表 示，其单位就是KeV。例如，ENC＝200电子对， 由噪声引起的线宽为：
空穴浓度： p N A 受主杂质浓度
7
Doping with valence 5 atoms Doping with valence 3 atoms
N-type semiconductor P-type semiconductor
8
6.2 P-N结半导体探测器
6.2.1、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
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；
3
6.1 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.
6.1.1、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.
N Da N Ab
当ND>>NA时，b>>a。则 d b
当NA>>ND时，a>>b。则 d a
一般可写成：
d
=
2εV0 eN i
1/
2
V0
Ni为掺杂少的一边的杂质浓度。 16
(3) 结区宽度的限制因素
1/ 2
d
=
2εV0 eN i
V0
受材料的击穿电压的限制：d V0 受暗电流的限制，因为： IG d
高纯锗半导体探测器是由极高纯度的Ge单晶
制成的 P-N结 半导体探测器。杂质浓度为~1010
原子/cm3。
一般半导体材料杂质浓度为~1015原子/cm3。
32
6.4.1. 高纯锗探测器的工作原理 1) P-N结的构成(N+-P- P+)
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+。两端引 出电极。
22
能量分辨率可用FWHM表示：
FWHM E E 2.36 F w E
FWHM 或 E 称为半高宽或线宽，单 位为：KeV。
以210Po的 E＝5.305MeV 的粒子为例， 对一种PN结探测器，由于输出脉冲幅度 的统计涨落引起的线宽为：
E1 2.36 F w E 4.08KeV
17
(4) 结电容随工作电压的变化
以N型硅为基体的情况为例，设结区截面为S， 宽度为a，则结区内一种符号的空间电荷为：
Q S a D S a eN D
1
S eN D
2V0
eN D
2
S 2V0eN D 12
1
即：
Cd
dQ dV
S
eN D
2V0
2
18
1
Cd
dQ dV
第六章 半导体探测器
Semiconductor Detector
1
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)。
a
0
b
式中ND和NA分别代表施主杂质和受主杂质浓度； a,b则代表空间电荷的厚度。一般a,b不一定相等，取
决于两边的杂质浓度，耗尽状态下结区总电荷为零，
即ND a＝NA b。
13
电场为非均匀电场：
E( x) eN D ( x a)
E( x) eN A (b x)
(-a x 0) (0 x b)
Li＋漂移速度
dd ' = μ(T)E
dt
当温度T 增大时，(T)增大，Li+漂移
速度增大。
28
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。
外加电场，使Li+漂移。Li+与受主杂质(如Ga-)中和，并可实现 自动补偿形成 I 区。
则：
E 4.51KeV
25
2） 分辨时间与时间分辨本领：
109 ~ 108 s
3） 辐照损伤 辐照损伤是半导体探测器的一个致命
的弱点。半导体探测器随着使用时间的 增加，造成载流子寿命变短，影响载流 子的收集。例如，对5.5MeV的粒子， 当达到109cm-2时，分辨率开始变坏，达 到1011cm-2时明显变坏。
E2 (FWHM )2 2.36 (ENC ) w 1.64K24eV
(3) 窗厚度的影响
d
d0
E3 (FWHM )3 (d d0 )
式中 为单位窗厚度引起的能量损失。
得到总线宽为：E
例如： E1 4.08KeV
E2 1.64KeV E3 1.0KeV
E12 E22 E32
(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 Intrinsic
Semi
N+ To positive bias
voltage
由硅作为基体的探测器称为Si(Li)探测器，由锗作为基体的2探9 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。
半导体称为N 型半导体。
电子浓度： n N D
施主杂质浓度
6
4)受主杂质(Acceptor impurities)与受主能级
能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心 的杂质；
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到这些能级上，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。
结区越宽。
E
-
+
If P
N
IG , IS
11
在外加反向电压时的反向电流：
少子的扩散电流，结区面积不变，IS 不变； 结区体积加大，热运动产生电子空穴多，IG 增大； 反向电压产生漏电流 IL ，主要是表面漏电流。
即:在使结区变宽的同时，IG 增加, IS不变，If减 小，并出现IL，此时表现的宏观电流称为暗电流。
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。
电位分布可由电场积分得到：E (d / dx)
(x) = - eND (x + a)2 + -a
2ε
(x) = eNA (x - b)2 + b
2ε
-a x 0 0 < x b
14
(2) 结区宽度与外加电压的关系
当x = 0时，P区和N区的电位应相等，即
-a - eND a2 = eN A b2 + b
4
2) 杂质半导体
杂质类型：间隙型，替位型。 (1) 间隙型：Li，可在晶格间运动。 (2) ຫໍສະໝຸດ Baidu位型：III族元素，如B，Al，Ga等；
V族元素，如P，As，Sb等；
5
3) 施主杂质(Donor impurities)与施主能级
电离时能够施放电子而产生导电电子并形成正 电中心的杂质；
施主杂质为V族元素，其电离电位ED很低，施 主杂质的能级很接近禁带顶部(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
S
eN D
2V0
2
即： Cd
1 1 V0 d
结区电容随外加电压变化而变化，外加
电压的不稳定可以影响探测器输出电压幅度
的不稳定。
19
6.2.2、P-N结半导体探测器的类型 1) 金硅面垒(Surface Barrier)探测器
一般用N型高阻硅作基片，表面蒸金50～
100g/cm2 (10m左右）氧化形成P型硅，而
因为杂质浓度极低，相应的电阻率很 高。空间电荷密度很小，P区的耗尽层厚 度大。
33
6.5.3. 性能
1) 能量分辨率： E E12 E22 E32
其中： E1 2.36 F E 为载流子数的涨落。 E2 2.36(ENC ) 为漏电流和噪声；
2) 工作条件
为了降低探测器本身的噪声和FET的噪声，同 时为降低探测器的表面漏电流，锂漂移探测器和 场效应管FET都置于真空低温的容器内，工作于 液氮温度(77K)。
对Ge(Li)探测器，由于锂在锗中的迁移率较高， 须保持在低温下，以防止Li+Ga-离子对离解，使 Li+沉积而破坏原来的补偿； 对Si(Li)探测器，由 于锂在硅中的迁移率较低，在常温下保存而无永 久性的损伤。
If
IG g d 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
10
(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，
21
6.2.4、主要性能 1) 能量分辨率
主要用于测量重带电粒子的能谱，如,p等， 一般要求耗尽层厚度大于入射粒子的射程。
影响能量分辨率的因素为：
(1) 输出脉冲幅度的统计涨落
E E
2.36v N
2.36
Fw E
式中：F为法诺因子，对Si，F=0.143；对 Ge，F=0.129。w为产生一个电子—空穴对所 需要的平均能量。
26
P-N结半导体探测器存在的矛盾： 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。
27
6.3 锂漂移半导体探测器
6.3.1. 锂的漂移特性及P-I-N结 1) 间隙型杂质——Li
Li为施主杂质，电离能很小 ～0.033eV