《半导体探测器.ppt

第五章 半导体探测器 §5-1 半导体探测器基础 §5-2 硅微条探测器的结构和原理 §5-3 半导体探测器的发展 §5-4 半导体探测器的应用 §5-1 半导体探测器基础 一、半导体的基本知识 1. 导体、半导体、绝缘体的能带 物体导电是物体内电子在外电场作用下定向运动的结果。 由于电场力对电子的作用，使电子的运动速度和能量发生变化。 从能带论来看，电子能量变化就是电子从一个能级跃迁到另一个能级上。 满带：能级已被电子所占满，一般外电场作用时，其电子不形成电流，对导电没有贡献，亦称价带。 导带：能带被电子部分占满，在外电场作用下，电子从外电场吸收能量跃迁到未被电子占据的能级上去，形成电流，起导电作用。 禁带：满带和导带之间的禁区称为禁带，其宽度也称为能隙，记做Eg。 半导体和绝缘体之间的差别在于禁带宽度不同： 半导体禁带较窄，Eg=0.1-2.2eV 绝缘体禁带较宽，Eg=5-10eV 由于能带取决于原子间距，所以Eg与温度和压力有关。一般禁带宽度大的材料，耐高温性能和耐辐照性能好。 一般情况下，半导体的满带完全被电子占满，导带中没有电子。在热力学温度为零时，即使有外电场作用，它们并不导电。但是当温度升高或有光照时，半导体满带中少量电子会获得能量而被激发到导带上，这些电子在外电场作用下将参与导电。同时满带中留下的空穴也参与导电。 2. 电荷载流子及其在电场中的迁移 载流子：是电子和空穴的统称。 在单位时间内，因受热激发而产生电子-空穴对的几率为 取决于禁带宽度Eg和绝对温度T的比。 外加电场时，电子和空穴都运动，方向相反。 若电场不高，漂移速度正比于外加电场E v=?E， ?=e?/2m 为迁移率 气体探测器，电子的迁移率远大于正离子； 半导体中，电子和空穴的迁移率基本相同。 当电场逐渐增高时，漂移速度随电场增加变慢，并最后达到饱和。 半导体探测器一般都工作在非常高的电场条件下，以得到电荷载流子的饱和速度，~107cm/s。 当芯片厚度为0.1cm时，收集时间~10ns。 具有非常快的时间响应。 3.本征半导体与掺杂 理想的不含杂质的半导体称为本征半导体，导带上的电子数目严格等于满带上的空穴数目，n=p 。 掺杂：在本征半导体内掺入杂质，来改变半导体材料的性能。 N型（电子型）半导体：导带内电子运动。 P型（空穴型）半导体：满带内空穴运动。 对于掺杂半导体，除了本征激发产生的电子空穴对以外，还有施主杂质提供的电子和受主杂质提供的空穴，所以电子和空穴的浓度不相等。 4、PN结（pn junction） 半导体探测器的灵敏区 半导体PN结可作为灵敏区 1）在PN结区可移动的载流子基本被耗尽，只留下电离了的正负电中心，对电导率无贡献，其具有很高的电阻率。 2）PN结加上一定负偏压，耗尽区扩展，可达全耗尽，死层极薄，外加电压几乎全部加到PN结上，形成很高电场。 3）漏电流很小，有很好的信噪比。 4）当有带电粒子通过时，产生的电子-空穴对，在强电场的作用下，很快地迁移出耗尽区，在电极上产生信号。 5. PN结的偏压特性 当PN结不加偏压时，能起到一定的探测器作用，但性能很差自发形成的电场低，不利于收集；耗尽区薄，信噪比差 当PN结加正向偏压时，加很低的电压，也会有很大的电流，信号将被淹没，无法作为探测器 加反向电压，N区接正， P区接负，外加电场方向与内建电场方向相同，使耗尽层增厚，漂移运动增强。当带电粒子穿过时产生电子－空穴对，在高电场下分别向正负电极漂移，产生信号。信号幅度正比于电子空穴对数目，正比于入射粒子损失能量。所以加反向偏压的PN结就是结型半导体探测器的灵敏区。 优点： 1）非常好的位置分辨 这是硅微条探测器最突出的特点。它的位置分辨率是目前应用的各种探测器中最高的，目前可做到1. 4μm。 主要因为固体的密度比气体大100 倍左右, 带电粒子穿过探测器, 产生的电子-空穴对(e-h) 的密度非常高, 大约为110e-h/μm。 另外由于现代半导体技术工艺, 光刻技术及高集成度低噪声读出电子学的飞速发展, 每个读出条可对应一路读出电子学, 更有利于空间分辨率的提高。 2）很高的能量分辨率 半导体探测器的能量分辨率比气体探测器大约高一个数量级, 比闪烁计数器高得更多。 这是因为在硅半导体中电离产生一对电子-空穴对只需要3eV左右的能量, 而气体中产生一对离子对所需能量大约为30eV , 塑料闪烁探测器在光阴极上产生一个光电子需要的能量大约为300eV。带电粒子在硅半导体中的能量损失也很高,