【清华大学工物系课件】电离辐射探测_工程硕士课程(6)-半导体探测器

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1、核辐射物理及探测学 第六章 半导体探测器(semiconductor detectors),2/89,why semiconductor detector?,气体： 分辨率较好 探测效率太低,闪烁体： 探测效率很好 分辨率不好 载流子的形成环节太多，不断损失,产生载流子需要的能量,半导体： 分辨率很好：0.1%1.33MeV 探测效率较高：比拟NaI,3/89,半导体探测器（60年代初期发展起来）的特点：,目前常见的半导体探测器材料有两种： Si： 纯度不高，难以做成大的探测器（载流子寿命） 适合带电粒子测量（短射程） Ge： 纯度很高（高纯锗），可以做成较大的探测器 适合能谱测量,能量分辨率

2、高 探测效率高，可与闪烁体相比拟 紧凑 较快的时间响应,尺寸较小，难以做大 易受射线损伤,本章讨论的核心，仍然是关于载流子（电子空穴对）的问题： 产生（统计性） 运动 损失 形成信号 干扰 探测器性能,4/89,关于能带（知识介绍）,晶体内电子的公有化 晶体内的外层电子不再从属于某个特定的原子，而是从属于整个晶体，可以在晶体内任何原子核附近出现。,晶体中： 原子紧密、规则地排列 相邻原子间的作用显著起来 电子不仅受自身原子核的库仑作用，也受周围其它原子核的作用 外层电子“公有化”,构成晶体的总原子数：N,5/89,满带（价带）、禁带、空带（导带）,6/89,第六章 半导体探测器,6.1 半导体

3、基本性质 6.2 均匀型半导体探测器 6.3 P-N结型半导体探测器 6.4 P-I-N型半导体探测器 6.5 高纯锗HPGe半导体探测器 6.6 锂漂移和HPGe半导体探测器的性能与应用 6.7 其它半导体探测器,7/89,6.1 半导体基本性质,本征半导体与杂质半导体 半导体作为探测介质的物理性能,常用半导体材料：Si、Ge (IV族元素),8/89,一本征半导体与杂质半导体,1. 本征半导体(intrinsic semiconductor),理想的、纯净的半导体。,半导体中的电子和空穴密度严格相同，由热运动产生：,禁带宽度：,本征硅：,本征锗：,半导体中的载流子密度小，且随温度变化。,价

4、带填满了电子，导带上没有电子,金属中的电子密度：1022/cm3,室温下的电子与空穴密度：,9/89,2. 杂质半导体,在半导体材料中有选择地掺入一些杂质(ppm或更小)。 杂质原子在半导体禁带中产生局部能级，影响半导体的性质。,10/89,3. 施主杂质和施主能级,V族元素，如P、As、Sb。 能级接近导带底端能量； 室温下热运动使杂质原子离化； 离化产生的电子进入导带，但价带中并不产生空穴。,掺有施主杂质的半导体中多数载流子是电子，叫做N型半导体。,多数载流子(majority carriers) 少数载流子(minority carriers),例：,室温下，本征硅的载流子密度为：101

5、0cm-3,施主掺杂1017atoms/cm3 (2ppm)， 电子密度：1017/cm3 空穴密度：103/cm3,11/89,4. 受主杂质和受主能级,III族元素，如B、Al、Ga。 能级接近价带顶端能量； 室温下价带中电子容易跃迁这些能级上； 在价带中出现空穴。 导带上不产生电子。,掺有受主杂质的半导体中多数载流子是空穴，叫做P型半导体。,12/89,二半导体作为探测介质的物理性能,1. 载流子密度,半导体中电子和空穴的密度乘积为，,本征半导体的载流子密度ni、pi和杂质半导体的载流子密度n、p满足：,EF：费米能级,没有射线，是否会有载流子（电子空穴对）？,电子与空穴的数目是否相等？

6、,与半导体的特性有关,13/89,3. 平均电离能,入射粒子在半导体介质中平均产生一对电子空穴需要的能量。,300K，w(Si)=3.62eV 77K， w(Si)=3.76eV， w(Ge)=2.96eV,如果在N型半导体中加入受主杂质，,当p n，N型半导体转化为P型半导体。叫做补偿效应。,当p = n，完全补偿。,2. 补偿效应,例如：N型半导体，施主杂质几乎全部电离，n p 。,电子与空穴的数目关系是否可以改变？,我们关心的是射线产生的载流子，数目是多少？,14/89,半导体平均电离能的特点：,1. 近似与入射粒子种类和能量无关，根据电子空穴对可以推得入射粒子的能量,请回顾一下气体和闪

7、烁体的情况？,2. 入射粒子电离产生的电子和空穴的数目是相同的。无论是与本征半导体反应，还是与n型、p型半导体反应。,掺杂量小，不足以改变射线与物质相互作用的特点。,3. 半导体的平均电离能很小3eV，气体平均电离能(30eV),严格地讲，平均电离能与入射粒子也有一定的关系：质子与粒子相差2.2%。 平均电离能与温度也有关系，对于Si，液氮温度时比室温时大3%。 与射线的能量也有一定的关系，特别是低能X射线部分。能量降低，平均电离能增大。,15/89,关于FANO因子,射线在半导体中产生的电子空穴对是服从FANO分布的。,FANO因子目前尚难以进行准确地理论估计，通常由实验得到 充分考虑其它因

8、素对全能峰的展宽电子学噪声、漂移等。 剩下的展宽则由统计涨落引起估计FANO分布。 由实验结果来看： FANO因子的测量结果相差甚大，尤其是对Si。 或许也和粒子沉积能量的特点有关。,一些实验结果： Si：0.0850.16， Ge：0.0570.129,16/89,当E 1045V/cm时：达到饱和漂移速度107cm/s.,4. 载流子的迁移率,迁移率随温度下降而上升，近似T-2/3,300K，(Ge),空穴迁移率比电子迁移率小，但不过相差23倍，,当电场强度不高（E 103V/cm）时，载流子迁移率正比于场强：,300K，(Si),77K，(Ge),77K，(Si),当电场升高时，漂移速度

9、随电场的增加速率变慢；,载流子产生之后的行为？（类比气体）,扩散和漂移，通常扩散可以忽略不计（若对位置精度要求不高）,再想想气体？,17/89,空穴在Ge中的漂移速度,电场一定时，低温的漂移速度大。,饱和速度时的场强： 低温：Es 103V/cm； 室温：Es 104V/cm。,电场强度较小时，u与场强成正比； 电场强度较大时，u随场强增加速度变慢。,电子在Si中的漂移速度,18/89,半导体探测器需要载流子的漂移长度大于灵敏体积的长度。,5. 载流子寿命,载流子寿命：从产生到重新陷落(复合)的平均时间间隔 (理想晶体：second)。,载流子的漂移长度：,高纯度的半导体Si和Ge ： 103

10、s,载流子在产生之后，除了会发生扩散或在电场下漂移并形成信号，还有可能发生：,陷落(trap)： Au，Zn，Cd等的存在，使载流子陷落，不能移动，最终会释放，但是对信号没有贡献,复合(recombination)： (deep impurities)可以捕获电子和空穴，导致复合(4b5a)，比直接复合(1b)要容易,使得载流子减少！,信号的收集时间：10-78s,射线产生的载流子一定会对输出信号作出贡献吗？（气体）,通过补偿，半导体材料的电阻率可以提高到与本真材料相同，但载流子寿命大大降低,19/89,掺杂会大大降低半导体材料的电阻率； 降低半导体材料温度可以提高电阻率。,6. 电阻率,电阻

11、率与电子、空穴浓度及其迁移率有关,室温：(Si)=2.3105 ；(Ge) =50100,通过补偿效应，可以提高电阻率； 完全补偿时，n=p，电阻率最高。,20/89,半导体探测器材料应该具有的特点：,长载流子寿命 保证载流子能够被收集,高电阻率 漏电流小 结电容小,21/89,6.1 半导体基本性质 6.2 均匀型半导体探测器 6.3 P-N结型半导体探测器 6.4 P-I-N型半导体探测器 6.5 高纯锗HPGe半导体探测器 6.6 锂漂移和HPGe半导体探测器的性能与应用 6.7 其它半导体探测器,22/89,6.2 均匀型半导体探测器,带电粒子与半导体晶体的相互作用 均匀型半导体探测器

12、的工作原理及性能,23/89,一. 带电粒子与半导体晶体的相互作用,带电粒子与晶体中的电子相互作用，迅速损失能量。,电子由价带（满带）进入导带： 可以从最高价带（第一价带）进入最低导带（第一导带） 也可以是从更深的满带激发到更高的导带中。 10-12s，电子降至第一导带，空穴上升至第一价带。 或者是产生电子，继续电离,产生的电子空穴对数服从法诺分布。 对于Si：F=0.15 对于Ge：F=0.13,24/89,二. 均匀型半导体探测器的工作原理及性能,相当于固体电离室 电子-空穴在ps的时间内产生 电子空穴分别向正负极漂移，在外电路形成电流信号 电子空穴的收集时间10-7s 探测效率远大于气体

13、探测器,工作原理,至放大器,C,RL,Rd,Cd,+,25/89,早期使用金刚石（绝缘晶体） 电阻率高 载流子寿命很短(10-8s)： 载流子来不及被收集 “极化效应”：形成“空间电荷”，导致“反向电场”，随着入射粒子数目的增多，计数器无法工作 1/1000的金刚石可用。,性能,26/89,半导体具有长的载流子寿命(ms)，能够避免上述问题，但是？,大暗电流，涨落噪声。 发热，使电阻率进一步降低,要求107cm,27/89,解决办法：,室温半导体,补偿法，提高材料的电阻率,利用补偿法制备具有本征电阻率的硅晶体，在100K的低温下工作，则电阻率可以满足要求。 在N型硅中掺杂3倍于施主数目的金。

14、载流子寿命变短。,选择禁带宽度大的材料，在室温下本征电阻率也足够高，例如化合物半导体材料： GaAs，CdTe，CZT(CdZnTe)，HgI2，CVD (Chemical Vapor Deposition)金刚石探测器,28/89,6.1 半导体基本性质 6.2 均匀型半导体探测器 6.3 P-N结型半导体探测器 6.4 P-I-N型半导体探测器 6.5 高纯锗HPGe半导体探测器 6.6 锂漂移和HPGe半导体探测器的性能与应用 6.7 其它半导体探测器,29/89,6.3 P-N结型半导体探测器,工作原理 P-N结型半导体探测器的类型 输出信号 P-N结型半导体探测器的性能与应用,30/

15、89,一工作原理,1. P-N结(势垒区)的形成,在P型半导体上掺杂，通过补偿效应，转化为N型半导体，形成P-N结。,由于密度的差异，电子和空穴朝着密度小的方向扩散。,扩散的结果形成空间电荷区，建立起自建电场。,在自建电场的作用下， 扩散与漂移达到平衡。形成P-N结区，也叫势垒区、耗尽区。,电场是均匀的吗？,31/89,少数能量较高的多数载流子（电子or空穴）会穿过势垒区扩散到对方区域，形成正向电流（密度） If 。,扩散到势垒区的少数载流子在电场作用下也会形成反向电流 IS 。,达到平衡时，,g: 单位体积e-h对的产生速度，w: 结区的厚度,32/89,2. 外加电场下的P-N结,在外加反

16、向电压时的反向电流： 少数载流子的扩散电流，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。,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。,外加电场使结区宽度增大。反向电压越高，结区越宽。,33/89,3. 势垒区的电场分布,势垒区中的电场：,空间电荷密度为，,由于空间电荷数相等：,E(x),34/89,4. 势垒区的宽度,可以得到势垒高度：,所以，势垒区的宽度：,对电场积分，可以得到势垒分布：,E(x),35/89,5. 结区电容,根据结区电荷随外加电压的变化率，可以计算得到单位面积的结区电容：,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 需要想办法解决，怎么解决？,m,