高纯锗探测器课件分解
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平面型： V (t )
N e w w
0
C
0
(
e
h
d
0 2
t)
e
V
max
N
0
0
e
C
h
N e r wt r w t V (t ) ln( ) ln( ) r r r C ln r 同轴型：
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
A 相对效率= 由于相对效率与光电峰的面积有关，而 B
体积 cm3 相对效率（ %）= A=Co(60)1.33MeVgamma 4.3 射线在
HPGe灵敏体积中的光电峰面积
光电峰与灵敏体积有关，因此，体积越 B=Co(60)1.33MeVgamma射线在NaI 大效率会增加，其间的关系（相对于 （ϕ7.62cm×7.62cm）闪烁体探测器 1.33MeV ）可表示为如下公式 中光电峰面积
E1 2.36 F E 为载流子数的涨落
E2 2.36 ( ENC )
为漏电流和噪声
E 3 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 几何形状
探测效率的 影响因素
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
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
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。
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
4.3.2探测效率
（1）绝对全能 （2）相对效率 峰探测效率 εp
左图为HPGe和Ge(Li) 绝对全能峰探测效率 εp 探测器的效率刻度曲 线，是用能量和各能 量射线分支比已知的 全能峰——光电效应＋所有的累计效应 放射源进行刻度的， 全能峰计数 可以看到在能量为 εp= 放射源发出的射线数目 200keV-3MeV之间相 对效率与射线能量之 εp是射线能量的函数，因此想要高的探测效率 间的关系近似为一条 需要使入射的射线全部沉积在灵敏体积当中通 直线。在这个能量区 常需要知道εp-Eγ的关系曲线，一般采用刻度法。 间的探测效率相对来 说可以准确的获得。
则h只与反馈电容有关，保证了在偏 压不稳定时h不发生涨落 输出回路的时间常数为：τ0=RfCf
电荷灵敏放大器
Cr是放大器的输入电容和分布电容之和。 Cf为反馈电容。如将反馈回路的电容等 效到输入端，则输入端的总电容为
U
Cf
Rd
Cd Cr 1 A0 C f
D
A0
Cd
Cr
U SC
因此如果温度升高（但在可接受范围内），可能观察 1.要求其工作在全耗尽状态 到探测器漏电流的显著升高，探测器漏电流会使 2.要求在液氮温度下使用（ 77K） spectrum中低于30 keV 的区间内出现显著噪音信号，
漏电流的变化可使能量分辨率恶化。
2）同轴型高纯锗半导体探测器
同轴型的特点： 由于锗晶体沿着轴向可以做的很长， 因此轴向探测器的有效探测长度以及灵 敏体积可以做得很大（可达400cm3）， 从而可以用来测量穿透能力强的高能射 线（10Mev的γ射线）。
第五节：其他探测器 1.锂漂移硅探测器 2.化合物半导体探测器 3.位置灵敏探测器
5.1锂漂移硅探测器
5.1.1 锂的漂移特性及P-I-N结 1) 间隙型杂质——Li
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：
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：
百度文库
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。 阈注量：能量分辨率开始出现变化时所对应的中子注 量。阈注量与探测器的尺寸有关，尺寸越大，阈注量 约低。阈注量还与探测器的类型有关，下表给出了几 种探测器的阈注量
同轴型高纯锗探测器结构
同轴高纯锗可以是P型（常规 N型（倒置型） P型）也可以是 型HPGe Ge,其外加电压有所不同。
N层 本征区 探测器外加电压
关于探测器的引出电极通常采用外表面接法，这样随着外加电压的增 大耗尽层将由外表面向里扩散，当达到耗尽电压时耗尽层刚好到达内 表面。
P型HPGe 由于电极附近的场强较大，因此有利于载流子的收集，对P型HPGe,外 表面为n+接触，通常采用Li作为外表面，厚度为600um左右，外加电 压采用外接法，对N型HPGe则正好相反，外表面为 P+接触，施加电压为倒置电压。 N层 本征区
低能射线的全能峰
hv
散射
E
一种HPGe反康普顿谱仪
用HPGe反康 反符合屏蔽与康 普顿 探测器 普顿抑制低本底 60Co 测得的 HPGeγ谱仪 能谱
4.3.4电荷收集和时间特性
1）输出回路：由于HPGe探测器也是半导体探测 器，因此其输出回路，输出信号与其他半导体探 测器基本一致
RL
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，， 其工作原理与结构与 PN节半导体探测器区别 保证Ge晶体工作于半导体状态，并防止电子 因为温度自激发带来显著噪声。 不大，但体积较小，且厚度为 5mm-10mm， 另外整个探测系统中的前置放大器通常与探 常用于低能 或X射线的探测以及高能的带电 测器安装在一起，前置放大器中的第一级场 粒子的测量。 效应晶体管（FET）也被冷却至接近77 K 的 其工作时需要注意两点： 温度，目的是为了减少FET噪音。
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
射线产生的电子空穴对的涨落 电子空穴对的俘获
影响分辨 率的因素
探测器及仪器的电子学噪声 工作温度
4.3.1能量分辨率
E E12 E 22 E 32 总能量分辨率
E (r )
V
r ln
r r
0
r为灵敏区半径
2 1
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：
s 3 10 ( F ) C 4d
0 2 11 d
同轴型：
C
d
2 ln r 2
l 0
3 10 ( F )
式中l为灵敏区的长度
2
11
r
1
输出脉冲 输出脉冲类似于电离室
测 量 仪 器
C
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。
4.3.3峰康比与峰形状
全能峰的峰值 峰康比： P 康普顿平台的峰值 提高峰康比的方法：增大灵敏体积；选 单逃逸峰 着好的几何形状（轴长等于直径，中心 dN 全能峰 双逃逸峰 孔尽量小）；高的能量分辨率； dE (光电峰) 相对效率为10%到100%的同轴型 多次 HPGe峰康比约为40:1到Compton 80:1
D E 0
电势的泊松方程
D
D E E 2
E
2
2
电位ϕ满足的泊松方程
a x x a y y a z z a x x a y y a z z 2 2 2 2 2 x y z 2
柱坐标中，电势的泊松方程
直角坐标
柱坐标
2 2 2 2 2 1 1 2 r 2 2 2 2 r r r r 2 2 z 2 x y z
2
d2V (r ) 1dV (r) 2 dr rdr
4.2同轴型高纯锗探测器的电场和电容
1）电场：
在柱坐标中，泊松方程可以转化为如下形式：
d2V (r ) 1dV (r) 2 dr rdr
这里考虑双端同轴型，设内外径分别为r1,r2， 设外加电压为VB，即V（r2）-V（r1）=VB安此 边界条件可求出：
eNa V (eNa/4)(r 2 r ) E(r) r 2 r ln(r2 r1)
2 2 1
电势的泊松方程 直角坐标 柱坐标
d2V (r ) 1dV (r) 2 dr rdr
ax ay az x y z
2
静电场的基本方程 积分形式:
D dS q E dl 0
S l
微分形式：
当半导体探测器输出电荷时，在放大 器输入端形成的信号电压为
Q U sr Cd Cr 1 A0 C f
如果满足条件A0>>1, 1 A0 C f Cd Cr 则 U sr
Q A0 C 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
2）电容：
对于圆柱体由高斯公式可知
Q s E ds
E
K 2 r
K r2 dr dr ln r1 2r Q 2L 2 2L r1 C Q
r2
由此可得 到电势 从而有圆柱形 HPGe的电容
K
U
r2 Q ln r1
r2 ln r1
4.3高纯锗探测器的主要性能
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 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
V E ( x)
0
d为灵敏区厚度 V0为偏置电压
d
同轴型的电场非均匀分布
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。
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。
N e w w
0
C
0
(
e
h
d
0 2
t)
e
V
max
N
0
0
e
C
h
N e r wt r w t V (t ) ln( ) ln( ) r r r C ln r 同轴型：
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
A 相对效率= 由于相对效率与光电峰的面积有关，而 B
体积 cm3 相对效率（ %）= A=Co(60)1.33MeVgamma 4.3 射线在
HPGe灵敏体积中的光电峰面积
光电峰与灵敏体积有关，因此，体积越 B=Co(60)1.33MeVgamma射线在NaI 大效率会增加，其间的关系（相对于 （ϕ7.62cm×7.62cm）闪烁体探测器 1.33MeV ）可表示为如下公式 中光电峰面积
E1 2.36 F E 为载流子数的涨落
E2 2.36 ( ENC )
为漏电流和噪声
E 3 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 几何形状
探测效率的 影响因素
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
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
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。
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
4.3.2探测效率
（1）绝对全能 （2）相对效率 峰探测效率 εp
左图为HPGe和Ge(Li) 绝对全能峰探测效率 εp 探测器的效率刻度曲 线，是用能量和各能 量射线分支比已知的 全能峰——光电效应＋所有的累计效应 放射源进行刻度的， 全能峰计数 可以看到在能量为 εp= 放射源发出的射线数目 200keV-3MeV之间相 对效率与射线能量之 εp是射线能量的函数，因此想要高的探测效率 间的关系近似为一条 需要使入射的射线全部沉积在灵敏体积当中通 直线。在这个能量区 常需要知道εp-Eγ的关系曲线，一般采用刻度法。 间的探测效率相对来 说可以准确的获得。
则h只与反馈电容有关，保证了在偏 压不稳定时h不发生涨落 输出回路的时间常数为：τ0=RfCf
电荷灵敏放大器
Cr是放大器的输入电容和分布电容之和。 Cf为反馈电容。如将反馈回路的电容等 效到输入端，则输入端的总电容为
U
Cf
Rd
Cd Cr 1 A0 C f
D
A0
Cd
Cr
U SC
因此如果温度升高（但在可接受范围内），可能观察 1.要求其工作在全耗尽状态 到探测器漏电流的显著升高，探测器漏电流会使 2.要求在液氮温度下使用（ 77K） spectrum中低于30 keV 的区间内出现显著噪音信号，
漏电流的变化可使能量分辨率恶化。
2）同轴型高纯锗半导体探测器
同轴型的特点： 由于锗晶体沿着轴向可以做的很长， 因此轴向探测器的有效探测长度以及灵 敏体积可以做得很大（可达400cm3）， 从而可以用来测量穿透能力强的高能射 线（10Mev的γ射线）。
第五节：其他探测器 1.锂漂移硅探测器 2.化合物半导体探测器 3.位置灵敏探测器
5.1锂漂移硅探测器
5.1.1 锂的漂移特性及P-I-N结 1) 间隙型杂质——Li
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：
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：
百度文库
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。 阈注量：能量分辨率开始出现变化时所对应的中子注 量。阈注量与探测器的尺寸有关，尺寸越大，阈注量 约低。阈注量还与探测器的类型有关，下表给出了几 种探测器的阈注量
同轴型高纯锗探测器结构
同轴高纯锗可以是P型（常规 N型（倒置型） P型）也可以是 型HPGe Ge,其外加电压有所不同。
N层 本征区 探测器外加电压
关于探测器的引出电极通常采用外表面接法，这样随着外加电压的增 大耗尽层将由外表面向里扩散，当达到耗尽电压时耗尽层刚好到达内 表面。
P型HPGe 由于电极附近的场强较大，因此有利于载流子的收集，对P型HPGe,外 表面为n+接触，通常采用Li作为外表面，厚度为600um左右，外加电 压采用外接法，对N型HPGe则正好相反，外表面为 P+接触，施加电压为倒置电压。 N层 本征区
低能射线的全能峰
hv
散射
E
一种HPGe反康普顿谱仪
用HPGe反康 反符合屏蔽与康 普顿 探测器 普顿抑制低本底 60Co 测得的 HPGeγ谱仪 能谱
4.3.4电荷收集和时间特性
1）输出回路：由于HPGe探测器也是半导体探测 器，因此其输出回路，输出信号与其他半导体探 测器基本一致
RL
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，， 其工作原理与结构与 PN节半导体探测器区别 保证Ge晶体工作于半导体状态，并防止电子 因为温度自激发带来显著噪声。 不大，但体积较小，且厚度为 5mm-10mm， 另外整个探测系统中的前置放大器通常与探 常用于低能 或X射线的探测以及高能的带电 测器安装在一起，前置放大器中的第一级场 粒子的测量。 效应晶体管（FET）也被冷却至接近77 K 的 其工作时需要注意两点： 温度，目的是为了减少FET噪音。
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
射线产生的电子空穴对的涨落 电子空穴对的俘获
影响分辨 率的因素
探测器及仪器的电子学噪声 工作温度
4.3.1能量分辨率
E E12 E 22 E 32 总能量分辨率
E (r )
V
r ln
r r
0
r为灵敏区半径
2 1
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：
s 3 10 ( F ) C 4d
0 2 11 d
同轴型：
C
d
2 ln r 2
l 0
3 10 ( F )
式中l为灵敏区的长度
2
11
r
1
输出脉冲 输出脉冲类似于电离室
测 量 仪 器
C
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。
4.3.3峰康比与峰形状
全能峰的峰值 峰康比： P 康普顿平台的峰值 提高峰康比的方法：增大灵敏体积；选 单逃逸峰 着好的几何形状（轴长等于直径，中心 dN 全能峰 双逃逸峰 孔尽量小）；高的能量分辨率； dE (光电峰) 相对效率为10%到100%的同轴型 多次 HPGe峰康比约为40:1到Compton 80:1
D E 0
电势的泊松方程
D
D E E 2
E
2
2
电位ϕ满足的泊松方程
a x x a y y a z z a x x a y y a z z 2 2 2 2 2 x y z 2
柱坐标中，电势的泊松方程
直角坐标
柱坐标
2 2 2 2 2 1 1 2 r 2 2 2 2 r r r r 2 2 z 2 x y z
2
d2V (r ) 1dV (r) 2 dr rdr
4.2同轴型高纯锗探测器的电场和电容
1）电场：
在柱坐标中，泊松方程可以转化为如下形式：
d2V (r ) 1dV (r) 2 dr rdr
这里考虑双端同轴型，设内外径分别为r1,r2， 设外加电压为VB，即V（r2）-V（r1）=VB安此 边界条件可求出：
eNa V (eNa/4)(r 2 r ) E(r) r 2 r ln(r2 r1)
2 2 1
电势的泊松方程 直角坐标 柱坐标
d2V (r ) 1dV (r) 2 dr rdr
ax ay az x y z
2
静电场的基本方程 积分形式:
D dS q E dl 0
S l
微分形式：
当半导体探测器输出电荷时，在放大 器输入端形成的信号电压为
Q U sr Cd Cr 1 A0 C f
如果满足条件A0>>1, 1 A0 C f Cd Cr 则 U sr
Q A0 C 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
2）电容：
对于圆柱体由高斯公式可知
Q s E ds
E
K 2 r
K r2 dr dr ln r1 2r Q 2L 2 2L r1 C Q
r2
由此可得 到电势 从而有圆柱形 HPGe的电容
K
U
r2 Q ln r1
r2 ln r1
4.3高纯锗探测器的主要性能
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 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
V E ( x)
0
d为灵敏区厚度 V0为偏置电压
d
同轴型的电场非均匀分布
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。
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。