硅微条探测器Silicon strip detector 二PPT课件下载推荐.pptx

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被电子占满的能级，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：

被电子部分占满的高能态能级，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：

满带和导带之间的禁区称为禁带，其宽度也称为能隙，记做Eg。

导体、半导体和绝缘体之间的差别在于禁带宽度不同：

导体不存在禁带，满带和导电交织在一起；

半导体禁带较窄，Eg=0.1-2.2eV绝缘体禁带较宽，Eg=2-10eV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。

7/1/2019,4,粒子探测,几种半导体材料的性能参数,7/1/2019,5,粒子探测,7/1/2019,6,粒子探测,3.本征半导体,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。

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。

N型（电子型）半导体：

导带内电子运动，参与导电。

P型（空穴型）半导体：

满带内空穴运动，参与导电。

载流子：

是电子和空穴的统称。

温度高，禁带宽度小，产生的载流子数目就多；

产生得越多，电子与空穴复合的几率也越大。

在一定温度下，产生率和复合率达到相对平衡，半导体中保持一定数目的载流子。

每立方厘米体积中电子与空穴的浓度,玻尔兹曼常数,比例系数,载流子浓度：

固体物理可以证明本征半导体内的载流子平衡浓度禁带宽度（eV）绝对温度（K）,7/1/2019,7,粒子探测,SiliconDetector,7/1/2019,8,粒子探测,SomecharacteristicsofSiliconcrystalsSmallbandgapEg=1.12eVW（e-hpair）=3.6eVHighspecificdensity2.33g/cm3dE/dx（M.I.P.）3.9MeV/cm102e-h/m（average）Highcarriermobilitye=1450cm2/V.s,h=450cm2/V.sfastchargecollection（10ns）Verypure1ppmimpuritiesRigidityofsiliconallowsthinselfsupportingstructuresDetectorproductionbymicroelectronictechniques,能接受满带中电子而产生导电空穴的杂质称为受主杂质，常用的三价元素有：

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，在满带上面形成一个新的局部能级，叫受主能级。

满带中的电子很容易跳入该能级。

在室温下三价元素原子几乎都形成负离子，是不能移动的负电中心，而在满带中产生空穴。

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。

7/1/2019,9,粒子探测,掺杂：

在本征半导体内掺入杂质，来改变半导体材料的性能。

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。

常用的五价元素有：

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。

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。

N型半导体的本征空穴和P型半导体的本征电子也参与导电，称为少数载流子。

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。

7/1/2019,10,粒子探测,二、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。

这个由杂质离子组成的空间电荷，即PN结区，亦称耗尽区，阻挡层，势垒区。

7/1/201911,粒内子建探测电势差：

VD；

势垒高度：

eVD,半导体探测器的灵敏区,内建电势差VD，加在PN结两边的电位差，势垒高度为eVD。

为什么半导体PN结可作为灵敏区？

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。

PN结加上一定负偏压，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。

漏电流很小，有很好的信噪比。

7/1/2019,12,粒子探测,PN结的偏压特性,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，使耗尽层增厚，漂移运动增强。

当带电粒子穿过时产生电子空穴对，在高电场下分别向正负电极漂移，产生信号。

信号幅度正比于电子空穴对数目，正比于入射粒子损失能量。

所以加反向偏压的PN结就是结型半导体探测器的灵敏区。

7/1/2019,13,粒子探测,三、载流子的产生,和复合,非平衡载流子：

入射粒子产生的载流子。

类似气体电离，产生一对电子空穴对所需消耗的能量称作平均电离能W，W与Eg一样与半导体材料和温度有关。

复合和俘获：

导带上的电子直接被满带中空穴俘获；

通过晶体中杂质和晶格缺陷在禁带内的中间能级复合中心和俘获中心进行,7/1/2019,14,粒子探测,t：

非平衡载流子从产生到复合或俘获前平均存在的时间,载流子寿命：

非平衡载流子数目N0随时间按指数规律,7/1/2019,15,粒子探测,衰减。

载流子漂移速度：

扩散长度或俘获长度：

表示非平衡载流子从产生到消失前平均移动的距离。

扩散长度必须大于探测器灵敏区厚度。

材料要求物理要求,7/1/2019,16,粒子探测,L,n,p大或tn,p大,电荷收集效率高能量分辨好,Eg大,使用温度高抗辐照性能好,杂质浓度低,灵敏区厚度大,原子序数大,g射线探测效率高,材料和加工工艺合适,可生产有用的探测器,对半导体探测器材料的基本要求,5-2能量测量半导体探测器,7/1/2019,17,粒子探测,一、PN结型探测器扩散型将一种类型的杂质扩散到另一种类型的半导体内形成PN结。

通常是把五价磷在高温下（8001000oC）扩散到P型硅中，扩散深度由调节温度和时间来控制。

从而在P型硅表面形成高浓度的N层，在P型硅和N型硅交界处就得到了PN结。

结区厚12mm，电极和信号引出的欧姆接触利用真空沉积或化学镀等方法实现。

优点：

漏电流小，对辐射损伤不灵敏。

死层较厚，不易获得大面积PN结，生产过程中高温处理，导致载流子寿命减小，影响能量分辨率。

2.面垒型,金硅面垒探测器优点：

窗薄，噪声低，不经高温处理，能量分辨率高，能量线性响应好。

工艺简单，成品率高，易于制得大面积探测器。

主要用于测量质子、a粒子和重离子等带电粒子。

7/1/2019,18,粒子探测,7/1/2019,19,粒子探测,3.离子注入型,制备：

利用加速器产生一定能量（5100KeV）的杂质正离子束，直接穿透半导体表面形成PN结。

常用硼离子束轰击N型硅，或用磷离子束轰击P型硅，调节离子束能量和强度，得到所需的掺杂深度和浓度。

入射窗薄，薄至30-40nm。

能量分辨率不如面垒型，但比扩散型好。

入射离子束产生强的辐射损伤，形成大量复合和俘获中心。

使用较低能量的离子束和在一定温度下退火，可以消除这一效应。

二、锂漂移型探测器,由于锂在Si和Ge中的电离能较低，在室温下锂全部电离，电子进入导带内起施主作用。

Li半径小于Si和Ge的晶格距离很多，在电场作用下很容易进入半导体内部，向深处扩散。

Li和P型受主杂质B-由于静电作用形成稳定的（LiB-）对，达到补偿的目的。

形成电阻率很高的本征层（I型，亦称I区），本征层电场很强，是探测器的灵敏区。

7/1/2019,20,粒子探测,二、锂漂移型探测器,锂漂移型探测器是准本征材料和PN结的组合，常称作NIP探测器。

本征层厚度：

最大优点是灵敏层厚，可达0.56mm，适于用作g和,x射线测量。

硅锂探测器Si（Li），可在室温下工作，在液氮温度下性能改善。

主要探测b射线和低能g射线，Eg100KeV。

锗锂探测器Ge（Li），必须在液氮温度下工作。

锂漂移型探测器必须在低温下加反偏压存储，否则锂离子在室温下有相当的迁移率，而使性能变坏。

V漂移电压，t漂移时间，m锂离子迁移率,7/1/2019,21,粒子探测,可以增大灵敏体积。

7/1/2019,22,粒子探测,同轴型Ge（Li）探测器大多数是圆柱形。

平面型只要延长单晶长度就,单开端双开端,三、高纯锗探测器,，,利用纯度很高的锗制成PN结耗尽层随反向偏压的增加而增厚。

当偏压很高时，整块晶体都成了耗尽层。

有平面型，或具有环状深沟的槽型结构，也可是同轴型。

易制备成大灵敏体积的探测器，可在室温下储存，在高低温下（170K）工作，性能仍很好。

它的能量分辨率和对g射线的探测效率与Ge（Li）探测器相同。

7/1/2019,23,粒子探测,高纯锗半导体探测器,高纯锗耗尽层剖面图,高纯锗槽型探测器,7/1/2019,24,粒子探测,高纯锗半导体探测器,7/1/2019,25,粒子探测,7/1/2019,26,粒子探测,四、化合物半导体探测器,CdTe、CdZnTe探测器优点：

原子序数高，禁带宽度大，电阻率高，非常适合探测10500KeV的光子，可以在室温下工作。

体积为12cm3的晶体可探测能量1MeV以上的光子，用于x射线、g射线能谱测量。

对57Co的122KeVg射线的半宽度室温时为5.9KeV。

载流子寿命不够大，俘获长度较小，造成电荷收集不完全，能谱性能受限制。

7/1/2019,27,粒子探测,1.CdTe、CdZnTe探测器,CdZnTe（CZT）晶体是近年发展起未的一种性能优异的室温半导体核辐射探测器新材料。

CZT晶体是由于CdTe晶体的电阻率较低，所制成的探测器漏电流较大，能量分