核辐射三大探测器-半导体.ppt

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1、第十章半导体探测器SemiconductorDetector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)射线探测效率较高，可与闪烁探测器

2、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；10.1半导体的基本性质1、本征半导体和杂质半导体1)本征半导体：由于热运动而产生的载流子浓度称为本征载流子浓度，且导带中的电子数和价带中的空穴数严格相等。常用半导体材料为硅(Si)和锗(Ge)，均为IV族元素.理想、无杂质的半导体.固体物理理论已证明半导体内的载流子平衡浓度为：ni和pi为单位体积中的电子和空穴的数目，下标“i”表示本征(Intrinsic)材料。T为材料的绝对温度，E

3、G为能级的禁带宽度。2)杂质半导体杂质类型：替位型，间隙型。(1)替位型：III族元素，如B，Al，Ga等；V族元素，如P，As，Sb等(2)间隙型：Li，可在晶格间运动。3)施主杂质(Donorimpurities)与施主能级施主杂质为V族元素，其电离电位ED很低，施主杂质的能级一定接近禁带顶部(即导带底部)。在室温下，这些杂质原子几乎全部电离。由于杂质浓度远大于本征半导体导带中的电子浓度，多数载流子为电子，杂质原子成为正电中心。掺有施主杂质的半导体称为N型半导体。电子浓度：施主杂质浓度4)受

4、主杂质(Acceptorimpurities)与受主能级受主杂质为III族元素，其电离电位EA很低，受主杂质的能级一定很接近禁带底部(即价带顶部)，室温下价带中电子容易跃迁这些能级上；在价带中出现空穴。所以，此时多数载流子为空穴，杂质原子成为负电中心。掺有受主杂质的半导体称为P型半导体。空穴浓度：受主杂质浓度Dopingwithvalence5atomsDopingwithvalence3atomsN-typesemiconductorP-typesemiconductor2、载流子浓度和补偿效

5、应1)载流子浓度空穴浓度：电子浓度：式中，E1为导带底；E2为价带顶。Cn和Cp为与禁带内能级分布无关的常数。所以：可见，对半导体材料，在一定温度下，n·p仅与禁带宽度有关。因此，在相同温度下，本征半导体的相等的两种载流子密度之积与掺杂半导体的两种载流子密度之积相等，即：2)补偿效应对N型半导体：n>p，可以加入受主杂质，使之成为本征半导体，此时n=p=ni，也称为“准本征半导体”；进一步加入受主杂质，可变为P型半导体，即p>n。但其代价为载流子的寿命将大大缩短。对本征半导体：对杂质半导体：，但

6、仍满足当n=p时，载流子总数取最小值。3、半导体作为探测介质的物理性能1)平均电离能（w）SiGe300ºK3.62eV77ºK3.76eV2.96eV入射粒子在半导体介质中平均产生一对电子空穴需要的能量。半导体中的平均电离能与入射粒子能量无关。在半导体中消耗能量为E时，产生的载流子数目N为：2)载流子的漂移由于电子迁移率n和空穴迁移率p相近，与气体探测器不同，不存在电子型或空穴型半导体探测器。对N型半导体，电子的漂移速度为对P型半导体，空穴的漂移速度为电场较高时，漂移速度随电场的增加较慢，

7、最后达到载流子的饱和速度～107cm/s。3)电阻率与载流子寿命半导体电阻率：本征电阻率：掺杂将大大降低半导体的电阻率，对硅来说掺杂对电阻率的影响比锗显著得多。当半导体材料被冷却到液氮温度时将大大提高电阻率。载流子寿命--载流子在俘获以前，可在晶体中自由运动的时间。只有当漂移长度大于灵敏体积的长度才能保证载流子的有效收集。对高纯度的Si和Ge～10-3s，决定了Si和Ge为最实用的半导体材料。高的电阻率和长的载流子寿命是组成半导体探测器的关键。10.2P-N结半导体探测器1、P-N结半导体探

8、测器的工作原理1)P-N结区(势垒区)的形成(1)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，达，远高于本征电阻率。(2)P-N结内的电流If－能量较高的多子穿透内电场，方向为逆内电场方向；IG－在结区内由于热运动产生的电子空穴对；IS－少子扩散到结区。IG，IS的方向为顺内电场方向。IfIG,IS平衡状态时：(3)外加电场下的P-N结：即在使结区变宽的同时，IG增加,IS不变，If减小，并出现IL，此时表现的宏