核辐射探测器(半导体探测器).doc

半导体探测器 半导体探测器是一种以半导体材料作为探测介质的新型核辐射探测器，它有很好的能量分辨能力。随着半导体材料和低噪声电子学的发展以及各种应用的要求,先后研制出了 P-N结型探测器、锂漂移型探测器、高纯锗探测器、化合物半导体探测器以及其它类型半导体探测器。 第一节 半导体的基本知识和半导体探测器的工作原理 根据物质导电能力,物质可分为导体、绝缘体和半导体。物质的导电能力可用电阻率ρ来表示,单位为Ω·cm。导体的电阻率在10-5Ω·cm以下,绝缘体的电阻率在1014Ω·cm以上,半导体的电阻率介于它们之间,一般在(10-2~10-9 )Ω·cm范围内。 半导体通常以晶体形式存在,晶体可分为单晶体与多晶体。在单晶体中,所有原子都连续地按同一规律整齐地排列,这称为晶格。多晶体是由许多小晶体颗粒杂乱地堆积起来的,因此多晶材料是不均匀的。半导体探测器多是由单晶材料制造的。 半导体材料的电特性 在单晶中，原子紧挨形成晶格排列, 相互之间有电磁力作用。因此晶体中电子的能量就和孤立原子不同。孤立原子中的电子只能存在于一定能级上，能级之间是禁区，电子不能存在。对于单晶体，原子间存在着电磁力，相应孤立原子的能级就分裂成很多十分靠近的新能级，由于单位体积内原子数目非常多，这些分裂彼此之间非常靠近，可以看作连续的，这种连续的能级形成一个能带。 导体、绝缘体和半导体的能带如图3.1所示 图 3.1半导体、导体和绝缘体的能带图 图 3.1 所示的满带是由各孤立原子的基态分裂出来的能级, 导带是由孤立原子各激发态分裂出来的能级。 满带和导带之间的禁区称为禁带,禁带宽度称为能隙,用Eg表示,单位为eV。半导体与绝缘体、导体之间的差别在于禁带宽度不一样。 由于导体不存在禁带, 满带和导带交织在一起,导电性能好； 绝缘体的禁带最宽,约(2~10)eV,导电性能最差； 半导体的禁带较窄。约（0.1~2.2）eV,导电性能比绝缘体好,而次于导体。用作半导体探测器材料的性能列于表3.1中。 二、本征半导体 理想的不含杂质的半导体在无外界作用时,导带中的电子和满带中的空穴都应由热激发产生,而且电子数目严格地等于空穴数目,这样的半导体材料称为本征半导体。 在有外界作用时,如在光 、热或核辐射的作用下,满带中的电子就会获得能量而被激发到导带,这样的电子如同自由电子一样,能在晶体内运动，参与导电,这就是所谓电子型导电。 满带中的电子被激发到导带而在满带中留下的空穴也参与导电,这是因为满带内空穴很容易被邻近原子的电子占据,而这个失去电子的原子又产生一个新的空穴,从效果上看好像空穴移动了,这就是空穴型导电。 电子和空穴统称为载流子。 本征半导体中热激发产生的载梳子称为本征载流子。 本征电子、空穴数目与温度T和禁带宽度Eg有关。T越高,Eg 越小,产生载流子数越多。同时,电子主穴相遇复的概率也就越大。 在一定温度下,产生率与复合率达到相对平衡,使半导体中保持一定数目的载流子。 理想的完全不含杂质的半导体材料很难找到。现有的实用纯度最高的半导体硅和锗,其载流子浓度的经验公式为： 硅: 锗: （3.2） 式中n的下标i表示本征材料。在室温下(T=300K)，本征硅和锗的载流子浓度为: 硅： 锗： （3.3） 由此可见,由于半导体的能隙Eg较小,在室温下,甚至在更低温度下,也会产生本征载流子。 三、P型和N型半导体 本征半导体的导电性能较差。为了提高半导体的导电性能,人们常常利用半导体中存在的两种导电机制,通过加入适当的杂质,以获得电子型半导体(N型半导体)或空穴型半导体（P型半导体）。 我们以晶体硅为例,锗和其它半导体材料具有与硅类似的性质。当在四价单晶硅中掺入少量的五价元素磷时,磷原子将占据晶格中的一个位置,替换一个常态硅原子。磷原子和相邻四个硅原子形成共价键[如图3.2(a)所示],剩余的第五个价电子 图3.2 占据晶体中的一个取代晶格位置的杂质原子示意图 （a）四价硅中掺入五价磷；（b）四价硅申掺入三价硼 与磷原子结合不很紧密，只要很小的能量（小于0.O5eV）就可以激发电离而成为自由电子，参预导电，而磷原子成为带正电的离子。但这种杂质离子不像空穴，它是固定在晶格中的不能迁移的,故并不参预导电。这种半导体的导电主要是由电子贡献的，所以叫电子型或N型半导体。 这种把电子贡献给导带的杂质称为“施主杂质”。 常用的施主杂质有磷、砷、锑、锂等。 杂质不是半导体晶格的组成部分,那些结合不紧密的多余电子可以在禁带中占据一个位置,它们总是具有接近禁带上部的能量,称为施主能级〔如图3.3（a）所示〕。 对于锗, 施主能级距导带底部仅0.O5eV，对于硅、磷、砷距导带底部是0.O4eV,锑是0.04eV,锂是