半导体探测器研究.ppt

* * * * * * 结合后，由于热运动，浓度大的向浓度小的扩散。 在PN结区，电子空穴很少，剩下的杂质正负离子形成空间电荷区，其内建电场方向由N区指向P区，阻止电子、空穴继续扩散，并造成P区中的电子和N区中的空穴，即少数载流子的反向漂移运动。当扩散运动和反向漂移运动达到平衡时，P区或N区的电子空穴浓度就不再变化。这个由杂质离子组成的空间电荷区，即PN结区，杂质原子均已电离，而导电的电子和空穴很少，亦称耗尽区，阻挡层，势垒区。 * * * * * * * * * * * * * （1）半导体探测器得到的gamma谱与闪烁谱仪相比，发生了质的变化。 能量分辨率可用FWHM表示： FWHM 或 ?E 称为半高宽或线宽，单位为：KeV。 以210Po的 E＝5.304MeV 的?粒子为例， 对一种PN结探测器，由于输出脉冲幅度的统计涨落引起的线宽为： (2) 探测器和电子学噪声 探测器的噪声由P-N结反向电流及表面漏电流的涨落造成； 电子学噪声主要由第一级FET构成，包括：零电容噪声和噪声斜率。 噪声的表示方法：等效噪声电荷ENC，即放大器输出噪声电压的均方根值等效于放大器输入端的噪声电荷，以电子电荷为单位；由于噪声叠加在射线产生的信号上，使谱线进一步加宽，参照产生信号的射线的能量，用FWHM表示，其单位就是KeV。例如，ENC＝200电子对，由噪声引起的线宽为： 入射粒子通过探测器灵敏区之前的非耗尽层厚度称为窗厚。 (3) 窗厚度的影响 式中 为单位窗厚度引起的能量损失。 假设入射带电粒子在窗材料中射程 ： 则两种入射情况下，在灵敏区损失的能量差为 式中△E1是用能量损失表示的窗厚。 （4）空气的影响 入射带电粒子从放射源发出到进入探测器灵敏体积要经过空气层并在其中损失一部分能量，造成 输出脉冲幅度减小，谱峰有个低能尾部，从而使分辨率变差。 测能谱时可以把放射源尽可能靠近探测器。且还可以抽真空（把探测器放在真空中）从而可忽略空气的吸收。 2） 分辨时间与时间分辨本领： 3） 能量线性很好，与入射粒子类型和能量基本无关 4） 辐照寿命 辐照寿命是半导体探测器的一个致命的弱点。半导体探测器随着使用时间的增加，造成载流子寿命变短，影响载流子的收集。例如，对5.5MeV的?粒子，当达到109cm-2时，分辨率开始变坏，达到1011cm-2时明显变坏。 5、应用 1） 重带电粒子能谱测量 1)介质为空气： 实验结果: 峰位：615.35chn 半宽度：19.00chn 2)介质为真空 峰位：768.54chn 半宽度：9.28chn 5、应用 2） dE/dx 探测器 dE/dx探测器工作于全耗尽型或过耗尽型状态，可用于粒子鉴别。 dE/dx探测器的输出信号为X， 能量探测器的输出信号为Y， 其乘积 XY＝mZ2 而得到粒子谱。 dE/dx探测器 “透射探测器” 入射粒子 厚E探测器 + × E 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。 P-N结半导体探测器存在的矛盾： 4.3 锂漂移半导体探测器 1. 锂的漂移特性及P-I-N结 1) 间隙型杂质——Li Li为施主杂质，电离能很小 ～0.033eV Li＋漂移速度 当温度T 增大时，?(T)增大，Li+漂移速度增大。 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。 P N+ Intrinsic Semi Front metallization Ohmic back contact 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。 2. 锂漂移探测器的工作原理 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1010?cm； 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 2) 工作条件 为了降低探测器本身的噪声和FET的噪声，同时为降低探测器的表面漏电流，锂漂移探测器和场效应管FET都置于真空低温的容器内，工作于液氮温度(77K)。 对