02核辐射探测器(半导体探测器)

半导体探测器半导体探测器是一种以半导体材料作为探测介质的新型核辐射探测器，它有很好的能量分辨能力。随着半导体材料和低噪声电子学的发展以及各种应用的要求,先后研制出了P-N结型探测器、锂漂移型探测器、高纯锗探测器、化合物半导体探测器以及其它类型半导体探测器。第一节半导体的基本知识和半导体探测器的工作原理根据物质导电能力,物质可分为导体、绝缘体和半导体。物质的导电能力可用电阻率ρ来表示,单位为Ω·cm。导体的电阻率在10-5Ω·cm以下,绝缘体的电阻率在1014Ω·cm以上,半导体的电阻率介于它们之间,一般在(10-2~10-9)Ω·cm范围内。半导体通常以晶体形式存在,晶体可分为单晶体与多晶体。在单晶体中,所有原子都连续地按同一规律整齐地排列,这称为晶格。多晶体是由许多小晶体颗粒杂乱地堆积起来的,因此多晶材料是不均匀的。半导体探测器多是由单晶材料制造的。一、半导体材料的电特性在单晶中，原子紧挨形成晶格排列,相互之间有电磁力作用。因此晶体中电子的能量就和孤立原子不同。孤立原子中的电子只能存在于一定能级上，能级之间是禁区，电子不能存在。对于单晶体，原子间存在着电磁力，相应孤立原子的能级就分裂成很多十分靠近的新能级，由于单位体积内原子数目非常多，这些分裂彼此之间非常靠近，可以看作连续的，这种连续的能级形成一个能带。导体、绝缘体和半导体的能带如图3.1所示图3.1半导体、导体和绝缘体的能带图图3.1所示的满带是由各孤立原子的基态分裂出来的能级,导带是由孤立原子各激发态分裂出来的能级。满带和导带之间的禁区称为禁带,禁带宽度称为能隙,用Eg表示,单位为eV。半导体与绝缘体、导体之间的差别在于禁带宽度不一样。由于导体不存在禁带,满带和导带交织在一起,导电性能好；绝缘体的禁带最宽,约(2~10)eV,导电性能最差；半导体的禁带较窄。约（0.1~2.2）eV,导电性能比绝缘体好,而次于导体。用作半导体探测器材料的性能列于表3.1中。二、本征半导体理想的不含杂质的半导体在无外界作用时,导带中的电子和满带中的空穴都应由热激发产生,而且电子数目严格地等于空穴数目,这样的半导体材料称为本征半导体。在有外界作用时,如在光、热或核辐射的作用下,满带中的电子就会获得能量而被激发到导带,这样的电子如同自由电子一样,能在晶体内运动，参与导电,这就是所谓电子型导电。满带中的电子被激发到导带而在满带中留下的空穴也参与导电,这是因为满带内空穴很容易被邻近原子的电子占据,而这个失去电子的原子又产生一个新的空穴,从效果上看好像空穴移动了,这就是空穴型导电。电子和空穴统称为载流子。本征半导体中热激发产生的载梳子称为本征载流子。本征电子、空穴数目与温度T和禁带宽度Eg有关。T越高,Eg越小,产生载流子数越多。同时,电子主穴相遇复的概率也就越大。在一定温度下,产生率与复合率达到相对平衡,使半导体中保持一定数目的载流子。理想的完全不含杂质的半导体材料很难找到。现有的实用纯度最高的半导体硅和锗,其载流子浓度的经验公式为：硅:3/21.1332105.1TkTien锗:3/785.0322101.3TkTien（3.2）式中n的下标i表示本征材料。在室温下(T=300K)，本征硅和锗的载流子浓度为:硅：310105.1cmpn锗：313104.2cmpn（3.3）由此可见,由于半导体的能隙Eg较小,在室温下,甚至在更低温度下,也会产生本征载流子。三、P型和N型半导体本征半导体的导电性能较差。为了提高半导体的导电性能,人们常常利用半导体中存在的两种导电机制,通过加入适当的杂质,以获得电子型半导体(N型半导体)或空穴型半导体（P型半导体）。我们以晶体硅为例,锗和其它半导体材料具有与硅类似的性质。当在四价单晶硅中掺入少量的五价元素磷时,磷原子将占据晶格中的一个位置,替换一个常态硅原子。磷原子和相邻四个硅原子形成共价键[如图3.2(a)所示],剩余的第五个价电子图3.2占据晶体中的一个取代晶格位置的杂质原子示意图（a）四价硅中掺入五价磷；（b）四价硅申掺入三价硼与磷原子结合不很紧密，只要很小的能量（小于0.O5eV）就可以激发电离而成为自由电子，参预导电，而磷原子成为带正电的离子。但这种杂质离子不像空穴，它是固定在晶格中的不能迁移的,故并不参预导电。这种半导体的导电主要是由电子贡献的，所以叫电子型或N型半导体。这种把电子贡献给导带的杂质称为“施主杂质”。常用的施主杂质有磷、砷、锑、锂等。杂质不是半导体晶格的组成部分,那些结合不紧密的多余电子可以在禁带中占据一个位置,它们总是具有接近禁带上部的能量,称为施主能级〔如图3.3（a）所示〕。对于锗,施主能级距导带底部仅0.O5eV，对于硅、磷、砷距导带底部是0.O4eV,锑是0.04eV,锂是0.03eV。在硅中掺入少量三价元素硼，硼原子同样会占据一个晶格位置，因它只有三个价电子，与邻近四价硅原子只能形成三个共价键时〔如图3.2（b）所示〕，因此有一个共价键是不饱和的，这就有从附近硅原子捕获一个电子形成饱和键的趋势。当一个电子被捕获时，硼原子变成负离子，在满带中留下空穴。这种半导体的导电主要是由空穴贡献的，所以叫空穴型或P型半导体。这种能接受满带中电子而产生导电空穴的杂质称为受主杂质，常用的受主杂质有硼、铝、镓、铟等。被捕获的电子虽然被束缚在一个具体的位置，但与一般价电子相比，不是束缚得那样牢固。因此这些受主杂质也在正常禁带中建立了电子位置，形成受主杂质能级，简称受主能级。受主能级在禁带的下部〔如图3.3（b）所示〕。对于半导体锗，它们的受主能级距满带顶部仅0.01eV；对于半导体硅、磷、砷距导带底部是0.O5KV,锑是0.04Ev,锂是0.03eV。图3.3在Si带隙中建立的杂质能级由以上讨论可知，对掺杂半导体，除本征电子-空穴对外，还有施主杂质提供的电子和受主杂质提供的空穴，因此电子浓度n和空穴浓度P不再相等,且相差很大。杂质虽然含量甚微,但它的Eg很小,只需很小的能量就可以产生电子和空穴,因此提供的载流子数远大于本征载流子数。例如硅单晶每cm3有5.22×1022个原子,即使只掺入百万分之一的施主杂质,由于在室温下这些杂质原子几乎全部电离,可提供导电电子浓度为5.22×1016个/cm3,而本征硅的导电电子浓度由(3.3)式知是1.5×1010个/cm3。用dn表示施主杂质浓度,显然idnu。N型半导体中的电子和P型半导体中的空穴称为多数载流子。N型半导体中的本征空穴和P型半导体中的本征电子也参预导电,它们称为少数载流子。正因为杂质提供了大量的载流子,所以增强了半导体的导电性能。室温下,杂质对电阻率的影响,对硅来说比对锗显著得多。锗的禁带宽度较窄,在锗中热激发电子-空穴对易产生。因此,为有效地改变本征锗的电阻率需要较大的杂质浓度。例如,在P型硅中杂质浓度为1013个原子/cm3时相应的电阻铝约为50OΩ·cm,显著低于本征硅的电阻率105Ω·cm。但同样的杂质浓度在P型锗中,其电阻率约为5OQΩ·cm。显著低于本征锗的电导率105Ω·cm。但同样的杂质浓度在P型锗中，其电阻率约为50Ω·cm，对N型锗为15Ω·cm,与本征锗电阻率5OΩ·cm相比降低得不多。当锗被冷却到液氮温度时,同样的杂质浓度会使其电阻率显著降低。五、半导体探测器的基本原理半导体探测器探测带电粒子的基本原理与气体电离室的十分相似。但由于半导体的密度比气体的大得多,对射线的阻止本领也就比气体的大得多。在半导体中产生一个电子—空穴对所需的平均电离能ε约为3eV,比在气体中的平均电离能(约3OeV)小一个数量级。平均电离能与入射粒子的性质、能量无关,但随温度的升高而减小。表3.1中已经给出了不同温度情况下Si和Ge的平均电离能。若能量为E0的核辐射粒子,其能量全部损失在半导体探测器灵敏体积内,所产生的电子—空穴对数目为：WEN/0（3.7）半导体探测器加一外电压,电压的方向是使半导体探测器得到反向偏置,故称为加反向偏压。从以后各节的讨论将知道,半导体探测器多为P-N结结构。加反向电压即在结的P边相对于N边为负电压,这时结两边的电位差增加,只有少数载流子在电场作用下越过结,而少数载流子浓度很低,所以反向电流很小。由于探测器加反向偏压,探测器灵敏区内部形成电场区。在没有核辐射射入时,由于绝缘电阻很大,漏电流很小。当带电粒子或其他核辐射入射到探测介质后,它们损失能量,介质内就产生电子—空穴对,在外电场作用下,电子和空穴分别向两电极作漂移运动,从而在电极上感应出电荷,电荷在电容C上积累而形成电压脉冲。要实现这一过程,即探测器正常工作,必须同时满足以下条件:①要求用作探测器的固体材料具有高的电阻率,才能保证加上较高的电场强度,而漏电流很小。②探测器材料必须有足够长的载流子漂移长度,以便载流子能通过灵敏区厚度d大（要大）的到达电极而不发生复合或俘获。目前,满足上述要求的主要方法有：①在硅或锗单晶中形成PN结,在PN结上加反向偏压形成探测器的灵敏区,在该灵敏区内载流子浓度很小,电阻率极大而漏电流很小；②在P型和N型的锗或硅单晶间通过补偿工艺使形成准本征区,其电阻率很高,可作为探测器的灵敏区；③使用高纯度半导体材料作为探测器材料。下面几节分别讲述利用这些方法制造的各种类型的半导体探测器以及近几年来人们研制出的化合物半导体探测器和一些特殊类型的半导体探测器。第二节PN结型半导体探测器二、工作原理PN结型半导体探测器的工作原理可叙述如下：由于PN结区载流子很少,电阻率很高,当探测器加上反向电压以后,电压几乎完全加在结区,在结区形成一个足够强的电场,但几乎没有电流流过。入射粒子射入结区后,通过与半导体的相互作用,损失能量产生电子—空穴对。在外加电场作用下,电子和空穴分别向两极漂移,于是在输出回路中形成信号。当电场足够强时,电子和空穴在结区的复合和俘获可以忽略。这时,输出信号的幅度与带电粒子在结区消耗的能量成正比。如果入射粒子的能量全部消耗在结区,则输出脉冲幅度与入射粒子能量成正比。三、种类和结构PN结型探测器一般都是用半导体硅材料做成,硅的禁带宽度为1.12eV,比锗的要大,室温下漏电流小,使用时可以不用低温冷却。根据PN结的制造方法不同,可以分为扩散型、面垒型和离子注入型探测器等。1、面垒型常用的面垒型探测器是金硅面垒型半导体探测器,如图3.5所示。金硅面垒探测器是利用N型硅单晶作基片,表面经过酸处理后,暴露在空气中,表面会形成一层氧化层,然后在真空中灵敏面上镀一薄层金膜(约10μm),靠近金膜的氧化层具有P型硅的特性,并在与基片交界面附近形成PN结。在基片的背面镀有镍或铝作欧姆接触引线,接电源的正极。欧姆接触电极即是两种符号的电荷(电子和空穴)都可以自由流过的不整流电极。金膜与铜外壳接触,接电源的负极。镀金面作为待测核辐射的入射面,称为入射窗。图3.5金硅面垒探测器示意图1——硅片；2——金膜；3——镍或铝膜；4——铜壳；5——聚四氟乙烯电片；6——聚四氟乙烯环；7——铜帽；面垒型探测器在制造工艺上不涉及高温,探测器材料能保持原来的良好性能,噪声低,能量线性好,能量分辨率高,入射窗薄,易于制得面积较大且均匀的灵敏区,结构简单,操作方便。面垒型探测器对光灵敏,薄入射窗对光是透明的,照在探测器表面上的光子可以到达灵敏体积内。可见光光子的能量约为(4~2)eV,大于硅和锗的能隙Eg,因此可见光光子与半导体相互作用可能产生电子—空穴对,普通房间内的光线就能引起很高的噪声。所以使用于探测带电粒子时探测器必需在真空密封条件下,以使噪声降低到可以忽略的水平。面垒型探测器的窗很薄,决不能用手触摸其镀金面。2.扩散型扩散型探测器是把一种类型的杂质扩散到另一种相反类型的半导体内而形成PN结的探测器。通常是将五价磷(磷可以是气态,也可以是固态),在高温（1000~800℃）下扩散到P型硅中,即扩散进一层施主杂质而形成N型薄层,它是粒子入射窗。扩散深度通过调节扩散过程的温度和时间来控制,通常扩散深度为(2~1)μm。N型表面层杂质浓度比原来的P型材料的杂质浓度高,耗尽