高纯锗探测器课件

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
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：
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
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。
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
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
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
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：
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
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)
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：
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。
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
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
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
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。
E (r )
V
r ln
r r
0
r为灵敏区半径
2 1
பைடு நூலகம்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
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。
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
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）。
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。
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
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：
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。