半导体核探测器

半导体核探测器

SQ10068273012 赵乐

绪论

以半导体材料作为探测介质的和探测器是20世纪60年代发展起来的一类固体探测器，它有着突出的优点，如能量分辨率较高，线形范围较宽，输出脉冲的上升时间快，而且体积小等等。由于这些优点，使半导体核探测器得到广泛的应用。如在γ射线能谱测量方面锗锂漂移探测器与Nal谱仪相比，能量分辨率大约要高一、两个量级，因而使和γ能谱分析有关的工作带来了巨大的变化。

但半导体核探测器的重要缺点也影响了它的应用。如受强辐射后性能变坏，输出脉冲幅度小，性能随温度变化较大等等都尚待进一步改善，或开发新半导体材料来发展新型探测器。

1.半导体核探测器的基本原理

以p-n结型探测器为代表来说明半导体核探测器的基本原理。由于在p-n结区截留子很少，电阻很高，所以，当探测器加上反向电压以后，电压几乎完全降落在结区，在结区形成一个足够强的电场，但几乎没有电流通过。当带电粒子射入结区后，通过与半导体材料的电子相互作用，很快地损失掉能量。带电粒子所消耗的能量将使电子由价带跃迁到导带，于是在导带中有了自由电子，在价带中留下了自由空穴，也就是形成了可以导电的电子—空穴对。在电场作用下，电子和空穴分别向两级漂移，于是在输入回路中形成信号。当电场足够强时，电子和空穴在结区的复合和俘获（陷落）可以忽略。这时，输出信号的幅度与带电粒子在结区消耗的能量成正比。如果带电粒子的全部能量都消耗在结区，则通过测量信号脉冲的幅度就可以测定带电粒子的能量。

能做半导体探测器的半导体材料，必须满足一定的条件：

1).射线在半导体材料中，产生一对电子—空穴所需的能量越小越好；

2).为了在外回路中形成信号，当加上电压以后，电子—空穴必须很容易穿过半导体材料。这就要求电子、空穴的迁移率高，复合和俘获都可以忽略，以保证电子—空穴到达电极之前不致损失掉。

3).为了保证电荷收集，需要加一个足够强的电场。在电场作用下，漏电流必须足够小才能使信号的测量不受影响。

实际上，半导体探测器中必须有一个结区或耗尽区，而且在加上电压的情况下，接触电极不对耗尽区注入电子或空穴。已经能用的半导体探测器有p-n结半导体探测器、锂漂移探测器、高纯锗、硅探测器、化合物半导体探测器、位置灵敏探测器。

2.几种常用的半导体探测器的性能

2.1金硅面垒探测器的性能

这种探测器最主要的应用是测量α粒子的能谱。测量的精度取决于探测器和相关电子学系统的分辨率和线性性。从测量α粒子能谱的角度看，影响能量分辨率的主要因素有三个方面：a.产生载流子数目和能量损失的统计涨落；b.探测器和电子学系统的噪声；c.其他因素，例如探测器窗的厚度，放射源的强度的影响

等。

此种半导体探测器受辐射照射一段时间以后性能逐渐变坏，以至根本不能使用。这种探测器的抗辐照的能力远不如气体电离室。

如果入射粒子是带点粒子，例如α粒子，由于电离损失能量，就减少了产生离位原子的数目，从而减少了辐射损失；如果入射粒子是高能电子，可以转移给Si原子的能量很少，一般地说，一个入射电子只能产生几个离位原子。

此种半导体探测器除了测量带电粒子能谱外，还可用来给出时间信号，用来指示某个核事件发生的时刻。例如，用两个探测器测定某带电粒子飞行一定距离所需的时间就可以得出它的速度。又例如，测量某种核激发态的寿命就需要测量标志该激发态生成和衰变的信息。反映探测器时间特性的一个指标叫做“时间分辨本领”。一个探测器时间分辨本领标志着它能分辨两个连续事件发生的时刻的能力。半导体探测器的时间分辨本领，仅次于有机闪烁体，只有零点几毫微秒。

2.2.锂漂移探测器的性能

锂漂移探测器有Si（Li）和Ge（Li）两种。Si（Li）主要用来探测β射线或低能γ射线或能量较高的重带电粒子。Ge（Li）主要用于γ射线能谱的测量，也可探测高能带电粒子。

影响锂漂移探测器能量分辨率的因素也有三：a.射线所产生的电子—空穴对数的涨落；b.电子—空穴对的俘获；c.探测器及电子系统的噪声。

对锂漂移探测器来说，除了与金硅面垒探测器相同的辐射损伤外，还由于Li离子在损伤位置的沉积会破坏它的补偿作用，使探测器性能进一步变坏。不过，对Ge（Li）探测器来说，它总是保持在液氮温度，锂离子的扩散极慢，很难达到损坏位置，所以通常辐射损伤只表现在由于俘获效应引起的γ射线峰低能侧变宽。但是，一个损伤的Ge（Li）探测器升到室温只要几分钟，Li离子就会很快地沉积在损伤位置，使探测器的性能急剧变坏。

锂漂移探测器的辐射损伤，通常可用再漂移的办法来修复。

2.3.GaAs光电导探测器

晶体的本征电阻率很高，用它做成的探测器有低的暗电流。它对X射线、γ射线、带电粒子以及可见光均灵敏，GaAs具有较高的电子迁移率，因此GaAs 是一种导电能力很强的半导体材料。在100keV以下的入射X光在GaAs晶体中主要是光电吸收机制产生载流子。它的光电导过程很简单的，入射光子把电子从价带中激发到导带中，在价带中留下空穴，载流子在外加电场的作用下在电路中形成电流。

GaAs材料还可经辐照处理来使做成的探测器的响应加快。如快中子辐照GaAs材料后使其晶格原子位移形成晶格缺陷，在晶体内起着复合中心的作用，复合几率增大，载流子寿命减少，从而使探测器的响应加快，但同时载流子的迁移率下降使得探测器的灵敏度下降。据利弗莫尔实验室的报导，经快中子辐照处理后的GaAs探测器其响应加快一个量级左右，时间分辨率可达40ps左右，但灵敏度下降一个量级。现在还有用电子辐照及质子辐照处理GaAs后做成探测器其效果也不错。