半导体探测器

半导体材料为探测介质的辐射探测器

半导体探测器是以半导体材料为探测介质的辐射探测器。最通用的半导体材料是锗和硅，其基本原理与气体电离室相类似，故又称固体电离室。半导体探测器的基本原理是带电粒子在半导体探测器的灵敏体积内产生电子－空穴对，电子－空穴对在外电场的作用下漂移而输出信号。常用半导体探测器有 P-N结型半导体探测器、锂漂移型半导体探测器和高纯锗半导体探测器。词条详细介绍了上述三种半导体探测器的原理、特点、工作条件等等。

发展历史

半导体探测器的前身可以认为是晶体计数器。早在1926年就有人发现某些固体电介质在核辐射下产生电导现象。后来，相继出现了氯化银、金刚石等晶体计数器。但是，由于无法克服晶体的极化效应问题，迄今为止只有金刚石探测器可以达到实用水平。半导体探测器发现较晚，1949年开始有人用α 粒子照射锗半导体点接触型二极管时发现有电脉冲输出。到1958年才出现第一个金硅面垒型探测器。直至60年代初，锂漂移型探测器研制成功后，半导体探测器才得到迅速的发展和广泛应用。

基本原理

半导体探测器的基本原理是带电粒子在半导体探测器的灵敏体积内产生电子－空穴对，电子－空穴对在外电场的作用下漂移而输出信号。

我们把气体探测器中的电子－离子对、闪烁探测器中被 PMT第一打拿极收集的电子及半导体探测器中的电子－空穴对统称为探测器的信息载流子。产生每个信息载流子的平均能量分别为30eV(气体探测器)，300eV(闪烁探测器)和3eV(半导体探测器)。

半导体探测器的特点

1) 能量分辨率最佳；

2) γ射线探测效率较高，可与闪烁探测器相比。

常用半导体探测器有：

(1) P-N结型半导体探测器；

(2) 锂漂移型半导体探测器；

(3) 高纯锗半导体探测器；

P-N结半导体探测器

工作原理

多数载流子扩散，空间电荷形成内电场并形成结区。结区内存在着势垒，结区又称为势垒区。势垒区内为耗尽层，无载流子存在，实现高电阻率，远高于本征电阻率。

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。

反向电压形成的电场与内电场方向一致。

在外加反向电压时的反向电流：

少子的扩散电流，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。

P-N结半导体探测器的类型

扩散结(Diffused Junction)型探测器

采用扩散工艺——高温扩散或离子注入；材料一般选用P型高阻硅，电阻率为1000；在电极引出时一定要保证为欧姆接触，以防止形成另外的结。

金硅面垒(Surface Barrier)探测器

一般用N型高阻硅，表面蒸金50～100μg/cm2 氧化形成P型硅，而形成P-N结。工艺成熟、简单、价廉。

存在的矛盾

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。

锂漂移型探测器

简介

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。

工作原理

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1010Ωcm；

I区厚度可达10～20mm，为灵敏体积。

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Ge(Li)探测器，由于锂在锗中的迁移率较高，须保持在低温下，以防止Li+Ga-离子对离解，使Li+沉积而破坏原来的补偿；对Si(Li)探测器，由于锂在硅中的迁移率较低，在常温下保存而无永久性的损伤。

存在问题

Li漂移探测器的问题：低温下保存代价很高；漂移的生产周期很长，约30～60天。

高纯锗(HPGe)半导体探测器

简介

随着锗半导体材料提纯技术的进展，已可直接用超纯锗材料制备辐射探测器。它具有工艺简单、制造周期短和可在室温下保存等优点。用超纯锗材料还便于制成X、γ射线探测器,既可做成很大灵敏体积，又有很薄的死层,可同时用来探测X和γ射线。高纯锗探测器发展很快，有逐渐取代锗。

工作原理

采用高纯度的 P型Ge单晶，一端表面通过蒸发扩散或加速器离子注入施主杂质(如磷或锂)形成 N区和 N+，并形成P-N结。另一端蒸金属形成 P+，并作为入射窗。两端引出电极。

因为杂质浓度极低，相应的电阻率很高。空间电荷密度很小，P区的耗尽层厚度大。

高纯锗探测器的特点

1) P区存在空间电荷，HPGe半导体探测器是PN结型探测器。

2) P区为非均匀电场。

3) P区为灵敏体积，其厚度与外加电压有关，一般工作于全耗尽状态。

4) HPGe半导体探测器可在常温下保存，低温下工作。

趋势

上述各种γ射线探测器均须在低温下工作。人们日益注意探索可在常温下探测γ射线的半导体材料。一些原子序数较大的化合物半导体，如碲化镉、砷化镓、碘化汞、硒化镉等，均已用于制备X、γ射线探测器,并已取得不同程度的进展。

应用领域

随着科学技术不断发展需要，科学家们在锗锂Ge(Li)、硅锂Si(Li)、高纯锗HPGe、金属面垒型等探测器的基础上研制出许多新型的半导体探测器，如硅微条、Pixel、CCD、硅漂移室等，并广泛应用在高能物理、天体物理、工业、安全检测、核医学、X光成像、军事等各个领域。世界各大高能物理实验室几乎都采用半导体探测器作为顶点探测器。美国费米实验室的CDF和D0，SLAC的B介子工厂的BaBar实验，西欧高能物理中心（CERN）LEP上的L3，ALEPH，DELPHI，OPAL，正在建造的质子-质子对撞机LHC上的ATLAS，CMS及日本的KEK，德国的HARA、HARB及Zeus等。ATLAS和CMS还采用了硅微条探测器代替漂移室作为径迹测量的径迹室。近些年高能物理领域所有新的物理成果，无不与这些高精度的具有优良性能的先进探测器密切相关。

实际操作运用

丁肈中领导的AMS实验，目标是在宇宙线中寻找反物质和暗物质。它的探测器核心部分的径迹室采用了多层硅微条探测器。由美国、法国、意大利、日本、瑞典等参加的GLAST实验组的大面积γ射线太空望远镜的核心部分也使用了多层硅微条探测器，总面积大于80平方米，主要用来作为γ→ e-+e+ 的对转换过程的径迹测量望远镜。硅微条探测器的位置分辨率可好于σ=1.4μm，这是任何气体探测器和闪烁探测器很难作到的。

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