半導體探測器

半導體探測器是以半導體材料為探測介質的輻射探測器。最通用的半導體材料是鍺和矽，其基本原理與氣體電離室相類似，故又稱固體電離室。半導體探測器的基本原理是帶電粒子在半導體探測器的靈敏體積內產生電子－空穴對，電子－空穴對在外電場的作用下漂移而輸出信號。常用半導體探測器有 P-N結型半導體探測器、 鋰漂移型半導體探測器和高純鍺半導體探測器。詞條詳細介紹了上述三種半導體探測器的原理、特點、工作條件等等。

基本介紹

• 中文名：半導體探測器
• 外文名：semiconductor detector
• 又稱：固體電離室
• 前身：晶體計數器
• 領域：核能、儀器
• 學科：精密儀器

發展歷史

半導體探測器的前身可以認為是晶體計數器。早在1926年就有人發現某些固體電介質在核輻射下產生電導現象。後來，相繼出現了氯化銀、金剛石等晶體計數器。但是，由於無法克服晶體的極化效應問題，迄今為止只有金剛石探測器可以達到實用水平。半導體探測器發現較晚，1949年開始有人用α 粒子照射鍺半導體點接觸型二極體時發現有電脈衝輸出。到1958年才出現第一個金矽面壘型探測器。直至60年代初，鋰漂移型探測器研製成功後，半導體探測器才得到迅速的發展和廣泛套用。

基本原理

半導體探測器的基本原理是帶電粒子在半導體探測器的靈敏體積內產生電子－空穴對，電子－空穴對在外電場的作用下漂移而輸出信號。

我們把氣體探測器中的電子－離子對、閃爍探測器中被 PMT第一打拿極收集的電子 及半導體探測器中的電子－空穴對統稱為探測器的信息載流子。產生每個信息載流子的平均能量分別為30eV(氣體探測器)，300eV(閃爍探測器)和3eV(半導體探測器)。

半導體探測器的特點

1) 能量解析度最佳；

2) γ射線探測效率較高，可與閃爍探測器相比。

常用半導體探測器有：

(1) P-N結型半導體探測器；

(2) 鋰漂移型半導體探測器；

(3) 高純鍺半導體探測器；

P-N結半導體探測器

工作原理

多數載流子擴散，空間電荷形成內電場並形成結區。結區記憶體在著勢壘，結區又稱為勢壘區。勢壘區內為耗盡層，無載流子存在，實現高電阻率，遠高於本徵電阻率。

在P-N結上加反向電壓，由於結區電阻率很高，電位差幾乎都降在結區。

反向電壓形成的電場與內電場方向一致。

在外加反向電壓時的反向電流：

少子的擴散電流，結區面積不變，I_S 不變；

結區體積加大，熱運動產生電子空穴多，I_G 增大；

反向電壓產生漏電流 IL ，主要是表面漏電流。

P-N結半導體探測器的類型

擴散結(Diffused Junction)型探測器

採用擴散工藝——高溫擴散或離子注入；材料一般選用P型高阻矽，電阻率為1000；在電極引出時一定要保證為歐姆接觸，以防止形成另外的結。

金矽面壘(Surface Barrier)探測器

一般用N型高阻矽，表面蒸金50～100μg/cm² 氧化形成P型矽，而形成P-N結。工藝成熟、簡單、價廉。

存在的矛盾

由於一般半導體材料的雜質濃度和外加高壓的限制，耗盡層厚度為1～2mm。 對強穿透能力的輻射而言，探測效率受很大的局限。

鋰漂移型探測器

簡介

為了探測穿透能力較強的γ射線，要求探測器有更大的靈敏區。這種效果通常是使鋰漂移進入P型半導體材料,進行補償而獲得。由於鍺比矽對γ射線有更高的探測效率，故一般採用鍺（鋰）漂移探測器。這種探測器的靈敏體積可大於200厘米3。但是,由於其死層較厚，故在探測較低能量的X射線時,往往採用矽（鋰）漂移探測器。鋰漂移型探測器的另一個特點，是當它被用來探測X及γ射線時必須保持在低溫(77K)和真空中工作。

工作原理

空間電荷分布、電場分布及電位分布

工作原理

I區為完全補償區，呈電中性為均勻電場；

I區為耗盡層，電阻率可達10¹⁰Ωcm；

I區厚度可達10～20mm，為靈敏體積。

工作條件

為了降低探測器本身的噪聲和FET的噪聲，同時為降低探測器的表面漏電流，鋰漂移探測器和場效應管FET都置於真空低溫的容器內，工作於液氮溫度(77K)。

對Ge(Li)探測器，由於鋰在鍺中的遷移率較高，須保持在低溫下，以防止Li+Ga-離子對 離解，使Li+沉積而破壞原來的補償； 對Si(Li)探測器，由於鋰在矽中的遷移率較低，在常溫下保存而無永久性的損傷。

存在問題

Li漂移探測器的問題：低溫下保存代價很高；漂移的生產周期很長，約30～60天。

高純鍺(HPGe)半導體探測器

簡介

隨著鍺半導體材料提純技術的進展，已可直接用超純鍺材料製備輻射探測器。它具有工藝簡單、製造周期短和可在室溫下保存等優點。用超純鍺材料還便於製成X、γ射線探測器,既可做成很大靈敏體積，又有很薄的死層,可同時用來探測X和γ射線。高純鍺探測器發展很快，有逐漸取代鍺。

工作原理

採用高純度的 P型Ge單晶，一端表面通過蒸發擴散或加速器離子注入施主雜質(如磷或鋰)形成 N區 和 N+，並形成P-N結。另一端蒸金屬形成 P+，並作為入射窗。兩端引出電極。

因為雜質濃度極低，相應的電阻率很高。空間電荷密度很小，P區的耗盡層厚度大。

高純鍺探測器的特點

1) P區存在空間電荷，HPGe半導體探測器是PN結型探測器。

2) P區為非均勻電場。

3) P區為靈敏體積，其厚度與外加電壓有關，一般工作於全耗盡狀態。

4) HPGe半導體探測器可在常溫下保存，低溫下工作。

趨勢

上述各種γ射線探測器均須在低溫下工作。人們日益注意探索可在常溫下探測γ射線的半導體材料。一些原子序數較大的化合物半導體，如碲化鎘、砷化鎵、碘化汞、硒化鎘等，均已用於製備X、γ射線探測器,並已取得不同程度的進展。

套用領域

隨著科學技術不斷發展需要，科學家們在鍺鋰Ge(Li)、矽鋰Si(Li)、高純鍺HPGe、金屬面壘型等探測器的基礎上研製出許多新型的半導體探測器，如矽微條、Pixel、CCD、矽漂移室等，並廣泛套用在高能物理、天體物理、工業、安全檢測、核醫學、X光成像、軍事等各個領域。世界各大高能物理實驗室幾乎都採用半導體探測器作為頂點探測器。美國費米實驗室的CDF和D0，SLAC的B介子工廠的BaBar實驗，西歐高能物理中心（CERN）LEP上的L3，ALEPH，DELPHI，OPAL，正在建造的質子-質子對撞機LHC上的ATLAS，CMS及日本的KEK，德國的HARA、HARB及Zeus等。ATLAS和CMS還採用了矽微條探測器代替漂移室作為徑跡測量的徑跡室。近些年高能物理領域所有新的物理成果，無不與這些高精度的具有優良性能的先進探測器密切相關。

實際操作運用

丁肈中領導的AMS實驗，目標是在宇宙線中尋找反物質和暗物質。它的探測器核心部分的徑跡室採用了多層矽微條探測器。由美國、法國、義大利、日本、瑞典等參加的GLAST實驗組的大面積γ射線太空望遠鏡的核心部分也使用了多層矽微條探測器，總面積大於80平方米，主要用來作為γ→ e-+e+ 的對轉換過程的徑跡測量望遠鏡。矽微條探測器的位置解析度可好於σ=1.4μm，這是任何氣體探測器和閃爍探測器很難作到的。