第五章 半导体探测器
文章目录
- 基本原理
- PN结
- 高纯锗探测器
- 平板型
- 同轴圆柱
( ！)
优点：1. 产生载流子的能量小，电荷数的相对统计涨落小得多，能量分辨率很高；2. 高空间分辨和快时间响应；3. 线性范围宽；
缺点：1. 对辐射损伤灵敏，受强辐射后性能变差；2. 低温工作，使用不便。
前沿发展：C基研究。
产生一对电子-空穴对所需能量：3eV；
优势：能量分辨率高！；不容易复合，能量线性较好；快时间响应；
劣势：要在低温下工作；晶格要求高，不耐辐照；
半导体探测器，只在实验室使用，要求低温，但CZT例外。
除了分辨率要求特别高的原子分辨，eg.特征X射线探测，等情况外，闪烁体@3%是可以的。
基本原理
- 本征半导体I
一般用ⅣA族的元素：C、Si、Ge…4个电子，与周围形成四个共价键。靠电压打断共价键，生成自由电子。所以，纯的半导体，导电性差。 - 漏电流：没有绝对绝缘的导体，绝缘体产生的微电流。
半导体的漏电流会被探测到，绝对不可以太大，要想方法改进。
用反向电场，可以大幅度减少漏电流。 - 掺杂后：一般用ⅢA、ⅤA族元素
P型，position，Ⅲ，少电子，多空穴；
N型，negative，Ⅴ，多电子。 - 过程：
4.1 结区电阻很高，基本上反向电压都在结区上，几乎没有漏电流流过；
4.2 带电粒子射入结区 ⟶\longrightarrow⟶ 粒子与半导体相互作用，损失能量 ⟶\longrightarrow⟶ E给电子，发生能带跃迁，从满带跳到空带 ⟶\longrightarrow⟶ 空带中有了电子，满带有了空穴，形成电子空穴对 ⟶\longrightarrow⟶ 电场作用，漂移 ⟶\longrightarrow⟶ 感应，形成信号 - 生成PN结：
5.1. 扩散，eg. Li，因为扩散不可控，对温度要低，低温下使用。淘汰，少用
5.2. 离子注入，加速器打入
5.3. 表面位垒，蒸镀，CVD。eg.P与Al，N与Au。由于两种材料费米能级的差别，紧密接触时会形成电位差，能带，类似于PN结。
eg.金硅面垒探测器：
N-Au，肖特基结，测α,β\alpha , \betaα,β.
能量分别率仅次于磁谱仪，灵敏体积受限，体积较小，低本底。
PN结
( ！)
结区：在介面附近的区域内，当载流子的扩散运动和漂移运动达到动平衡时，形成一个由杂质离子组成的"空间电荷区"，即耗尽区/结区。
整个半导体，叫PN结。
一整块半导体，在两边分别掺杂。由于P区和N区，空穴和电子的扩散作用，会在交界处，平衡，这个平衡的区域叫做耗尽层。
原来两边都不带电，之后，P区有了更多电子，N区有了更多空穴，所以，P负N正。内建电场，由N指向P。
结区内的电场是不均匀的，x=0时，电场max，结区边界，电场为0。
PN结本身，可以作探测器的。但是性能很差，结区很薄，无法测量能量，电场强度很弱，电荷收集不全。
反向电场，就可以啦！
P外加负电压，N外加正电压，此时，两极会再分别吸引空穴、电子，结区扩大。
可以加很高的电场。所以电子的速度很快，可以做时间响应测量。一个电子进来，打到N区，引起电压改变。
两级最两端，因为要加电压，连金属板，所以要重掺杂。
这里是不是反了？check！笔记是结区扩大。
嗯，是扩大，因为空穴和电子对之间的距离被强制拉大了，但是扩散是不可控的。
是感应电荷？还是电子直接产生信号？
感应电荷。
- 正向电场，若P外加正，N负，则电子往P端走，空穴往N走，结区缩小，加速复合，形成电流，打通了，就没有载流子了。
PIN
I，本征半导体，啥也不加，但导电性差。
PIN的反向电场可以加得更大，因为反向击穿电压变大。
高的电阻率和长的载流子寿命是组成半导体探测器得关键。
长寿命，信号可以一直捕获。
高纯锗探测器
世界上至今最纯的物质；国内无法生产。
平板型
可以测时间；
但体积等受限，更多的是同轴圆柱型。
同轴圆柱
一般，内圆ϕ9\phi 9ϕ9，外圆ϕ54\phi 54ϕ54。
能量分辨率高！
N区，Li扩散，300-600 μm\mu mμm；
P区，B，离子注入，3 μm\mu mμm，一般重掺杂，为了电厂均匀，导电性，近乎作为导体一侧。
- P型
@0.4%;
P区在内圈，N区在外圈。
辐照受损后不可恢复，易损伤。
由于外壳是Li扩散，较厚，10keV以上探测，不然就测不出来了，被外壳阻挡。 - N型
@0.2%;
P外，N内。
辐照受损后，可以恢复。晶格错位，一加热，就恢复了。
3keV以上测量。
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