《半导体探测器》PPT课件

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1、第五章半导体探测器§5-1半导体探测器基础§5-2硅微条探测器的结构和原理§5-3半导体探测器的发展§5-4半导体探测器的应用1§5-1半导体探测器基础一、半导体的基本知识1.导体、半导体、绝缘体的能带物体导电是物体内电子在外电场作用下定向运动的结果。由于电场力对电子的作用，使电子的运动速度和能量发生变化。从能带论来看，电子能量变化就是电子从一个能级跃迁到另一个能级上。满带：能级已被电子所占满，一般外电场作用时，其电子不形成电流，对导电没有贡献，亦称价带。导带：能带被电子部分占满，在外电场作用下，电子从外电场吸收能量跃迁到未被电子占据的能级上去，形成电流，起导电作用。禁带：满带和

2、导带之间的禁区称为禁带，其宽度也称为能隙，记做Eg。2半导体和绝缘体之间的差别在于禁带宽度不同：半导体禁带较窄，Eg=0.1-2.2eV绝缘体禁带较宽，Eg=5-10eV由于能带取决于原子间距，所以Eg与温度和压力有关。一般禁带宽度大的材料，耐高温性能和耐辐照性能好。一般情况下，半导体的满带完全被电子占满，导带中没有电子。在热力学温度为零时，即使有外电场作用，它们并不导电。但是当温度升高或有光照时，半导体满带中少量电子会获得能量而被激发到导带上，这些电子在外电场作用下将参与导电。同时满带中留下的空穴也参与导电。32.电荷载流子及其在电场中的迁移载流子：是电子和空穴的统称。在单位时

3、间内，因受热激发而产生电子-空穴对的几率为取决于禁带宽度Eg和绝对温度T的比。外加电场时，电子和空穴都运动，方向相反。若电场不高，漂移速度正比于外加电场Ev=E，=e/2m为迁移率气体探测器，电子的迁移率远大于正离子；半导体中，电子和空穴的迁移率基本相同。当电场逐渐增高时，漂移速度随电场增加变慢，并最后达到饱和。半导体探测器一般都工作在非常高的电场条件下，以得到电荷载流子的饱和速度，~107cm/s。当芯片厚度为0.1cm时，收集时间~10ns。具有非常快的时间响应。43.本征半导体与掺杂理想的不含杂质的半导体称为本征半导体，导带上的电子数目严格等于满带上的空穴数目，n=p

4、。掺杂：在本征半导体内掺入杂质，来改变半导体材料的性能。N型（电子型）半导体：导带内电子运动。P型（空穴型）半导体：满带内空穴运动。5掺入五价元素：P(磷)、As(砷)、Sb(锑)、Li(锂）等。五价元素原子的第5个价电子都激发到导带中参与导电，五价元素原子成为正离子，是不能移动的正电中心。这种半导体的导电主要是电子贡献，称作电子型或N型半导体。把电子贡献给导带的杂质称为施主杂质，杂质能级叫施主能级，位于导带底部。掺入三价元素：B(硼)、Al(铝)、Ga(镓)、In(铟)。三价元素原子有从附近吸收一个电子的趋势，而在价带中产生空穴。在室温下三价元素原子几乎都形成负离子，是不能移动

5、的负电中心，这种半导体的导电主要是空穴的贡献，称作空穴型或P型半导体。能接受价带中电子而产生导电空穴的杂质称为受主杂质。在价带上面形成的新的能级叫受主能级，位于价带的顶部。6对于掺杂半导体，除了本征激发产生的电子空穴对以外，还有施主杂质提供的电子和受主杂质提供的空穴，所以电子和空穴的浓度不相等。结构缺陷点缺陷：晶格上出现空位或应该空位处出现了原子。线缺陷：晶体受应力作用发生错位（沿平面滑移）。晶格缺陷也能俘获或放出电子，相当于在晶体禁带中附加受主或施主能级，也起受主或施主作用。74、PN结（pnjunction）结合前，N区的电子比P区多，P区的空穴比N区多。结合后，电子由N区向

6、P区扩散与空穴复合；空穴由P区向N区扩散与电子复合。扩散的结果形成PN结。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。这个由不可移动的杂质离子组成的空间电荷区，即PN结区，对电导率没有贡献，而载流子的密度非常低，亦称耗尽区，阻挡层，势垒区。8半导体探测器的灵敏区半导体PN结可作为灵敏区1）在PN结区可移动的载流子基本被耗尽，只留下电离了的正负电中心，对电导率无贡献，其具有很高的电阻率。2）PN结加上一定负偏压

7、，耗尽区扩展，可达全耗尽，死层极薄，外加电压几乎全部加到PN结上，形成很高电场。3）漏电流很小，有很好的信噪比。4）当有带电粒子通过时，产生的电子-空穴对，在强电场的作用下，很快地迁移出耗尽区，在电极上产生信号。95.PN结的偏压特性当PN结不加偏压时，能起到一定的探测器作用，但性能很差自发形成的电场低，不利于收集；耗尽区薄，信噪比差当PN结加正向偏压时，加很低的电压，也会有很大的电流，信号将被淹没，无法作为探测器加反向电压，N区接正，P区接负，外加电场方向与内建电场方向相同，