半导体探测器.ppt

半导体探测器 组员 韩志成 蔡成林 冯 杰 金 亮 半导体探测器 简介 半导体：电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质 ? 生活中半导体的运用： 手机? 电脑? 电视机模拟 数字信号处理 半导体探测器 半导体探测器是以半导体材料作为探测介质的固体探测器 半导体探测器具有许多优点：1）能量分辨本领好于其他种类的探测器。2）线性范围宽；3）阻止本领大。硅半导体探测器的体积一般比较小，轻便；锗半导体探测器的体积有较大的选择范围，适于不同的情况下使用。 但是半导体探测器也有许多缺点，例如抗辐射本领差。辐照会在半导体内产生缺陷，影响性能，特别是用于重粒子测量的半导体探测器，几次实验就可能被破坏；高纯锗半导体探测器的平均电离能小，能量分辨率高，在使用时晶体需在低温环境（液氮环境）下工作，以减小热噪声，保证其能量分辨率。高纯锗半导体探测器的制冷方式有液氮制冷，也有电制冷，可根据具体情况选择使用。 不同探测器能量分辨率的比较 半导体探测器的工作原理 半导体探测器实际上是一种固体二极管式电离室，在PN结区载流子很少，形成耗尽区，电阻率很高（1010Ω·cm）.当加上反向电压后，电势差几乎完全降落在结区，形成一个高电场区，但几乎没有电流流过。这时是结区就相当于电离室的介质，当带电粒子射入结区后，通过与原子发生相互作用，不断损耗能量并产生大量的电子空穴对。在电场的作用下，电子和空穴分别向两极漂移，引起两极上感应电荷的变化，在输出回路形成脉冲信号。所以，结区也是探测器的灵敏区。由于结区的厚度很小，因此极间电场足够强，电子和空穴的复合概率很小，输出的脉冲幅度与射线损耗在结区的能量成正比。与气体探测器类似，核辐射在半导体中，每产生一对电子空穴对，平均损失的能量，即平均电离能w，也有一定的数值。 半导体探测器的工作原理 例如：硅w=3.76 eV，锗w=2.96 eV，对于能量为E的核辐射，半导体探测器输出脉冲幅度和电离室规律一样： ΔV ＝式中，Cd为半导体探测器的结电容。 由此可见，同样能量的带电粒子在半导体探测器输出负载中产生的电荷数比气体电离室（w=30 eV）大一个数量级，输出电压脉冲幅度大一个数量级，因而能量分辨本领也高。 常见的半导体分类 面垒型半导体 一般采用N型单晶硅片,并将金沉积在上面制成，故也常称为金硅面垒型探测器。它是利用金和半导体之间接触电 势差，在半导体中形成没有自由载流子的耗尽层，即是探测器的灵敏区。在采用高纯度硅材料时，其厚度可达4～5毫米。此外，还可以用极薄的硅片做成全耗尽型 探测器,或称为dE/dX 型探测器,最薄可达1～2微米。入射粒子可以穿过它并根据其能量损失率而鉴别粒子种类。 锂漂移型探测器 为了探测穿透能力较强的γ射线，要求探测器有更大的灵敏区。这种效果通常是使锂漂移进入P型半导体材料,进行补偿而获得。由于锗比硅对γ射线有更高的探测效率，故一般采用锗（锂）漂移探测器。这种探测器的灵敏体积可大于200厘米3。但是,由于其死层较厚，故在探测较低能量的X射线时,往往采用硅（锂）漂移探测器。锂漂移型探测器的另一个特点，是当它被用来探测X及γ射线时必须保持在低温(77K)和真空中工作。 PIPS离子注入表面钝化Si探测器 PIPS探测器具有很多特点 高纯锗半导体探测器（HPGe） 增加结区厚度的另一途径就是提高材料的电阻率，既采用高纯材料。高纯锗（HPGe）即是这类探测器，它具有P-I-N结构。结区厚度达到数厘米，从而给β射线.X射线和γ射线的能谱测量带来根本性的变化。目前Ge(Li)漂移探测器已经被高纯锗探测器和导热棒（冷指）连在一起，并将导热棒插入温度为77K的液氮罐内 高纯锗半导体探测器（HPGe） 高纯锗探测器有平面型的也有同轴型的。平面型高纯锗的灵敏区的厚度一般在5mm~10mm，主要用于测量中.高能的带电粒子（能量低于220Mev的α粒子，低于60Mev的质子和能量低于10Mev的电子），和能量在300kev至600Kev的X射线和低能γ射线。同轴型HPGe探测器的灵敏体积大的可达≈400?，可以满足能量低于10Mev的γ能谱的测量。 面垒型半导体 常见的半导体探测器 Diagram Diagram Diagram Click to edit title style Diagram Diagram Click to edit title style Click to edit title style Diagram Diagram Click to edit title style Diagram Click to edit