[科普中國]-半導體探測器

發(fā)展歷史

半導體探測器的前身可以認為是晶體計數(shù)器1。早在1926年就有人發(fā)現(xiàn)某些固體電介質(zhì)在核輻射下產(chǎn)生電導現(xiàn)象。后來，相繼出現(xiàn)了氯化銀、金剛石等晶體計數(shù)器。但是，由于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(fā)現(xiàn)較晚，1949年開始有人用α 粒子照射鍺半導體點接觸型二極管時發(fā)現(xiàn)有電脈沖輸出。到1958年才出現(xiàn)第一個金硅面壘型探測器。直至60年代初，鋰漂移型探測器研制成功后，半導體探測器才得到迅速的發(fā)展和廣泛應用。

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(nèi)產(chǎn)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2。

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(tǒng)稱為探測器的信息載流子。產(chǎn)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) 能量分辨率最佳3；

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(jié)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(jié)半導體探測器工作原理多數(shù)載流子擴散，空間電荷形成內(nèi)電場并形成結(jié)區(qū)。結(jié)區(qū)內(nèi)存在著勢壘，結(jié)區(qū)又稱為勢壘區(qū)。勢壘區(qū)內(nèi)為耗盡層，無載流子存在，實現(xiàn)高電阻率，遠高于本征電阻率4。

在P-N結(jié)上加反向電壓，由于結(jié)區(qū)電阻率很高，電位差幾乎都降在結(jié)區(qū)。

反向電壓形成的電場與內(nèi)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(jié)區(qū)面積不變，IS 不變；

結(jié)區(qū)體積加大，熱運動產(chǎn)生電子空穴多，IG 增大；

反向電壓產(chǎn)生漏電流 IL ，主要是表面漏電流。

P-N結(jié)半導體探測器的類型擴散結(jié)(Diffused Junction)型探測器

采用擴散工藝——高溫擴散或離子注入2；材料一般選用P型高阻硅，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(jié)。

金硅面壘(Surface Barrier)探測器

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

存在的矛盾由于一般半導體材料的雜質(zhì)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(qū)。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。由于鍺比硅對γ射線有更高的探測效率，故一般采用鍺（鋰）漂移探測器。這種探測器的靈敏體積可大于200厘米3。但是,由于其死層較厚，故在探測較低能量的X射線時,往往采用硅（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5

I區(qū)為完全補償區(qū)，呈電中性為均勻電場；

I區(qū)為耗盡層，電阻率可達1010Ωcm；

I區(qū)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都置于真空低溫的容器內(nèi)，工作于液氮溫度(77K)6。

對Ge(Li)探測器，由于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，由于鋰在硅中的遷移率較低，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(chǎn)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制備輻射探測器。它具有工藝簡單、制造周期短和可在室溫下保存等優(yōu)點。用超純鍺材料還便于制成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(fā)展很快，有逐漸取代鍺。

工作原理采用高純度的 P型Ge單晶，一端表面通過蒸發(fā)擴散或加速器離子注入施主雜質(zhì)(如磷或鋰)形成 N區(qū) 和 N+，并形成P-N結(jié)。另一端蒸金屬形成 P+，并作為入射窗。兩端引出電極。

因為雜質(zhì)濃度極低，相應的電阻率很高?？臻g電荷密度很小，P區(qū)的耗盡層厚度大。

高純鍺探測器的特點1) P區(qū)存在空間電荷，HPGe半導體探測器是PN結(jié)型探測器6。

2) P區(qū)為非均勻電場。

3) P區(qū)為靈敏體積，其厚度與外加電壓有關，一般工作于全耗盡狀態(tài)。

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?nèi)找孀⒁馓剿骺稍诔叵绿綔yγ射線的半導體材料。一些原子序數(shù)較大的化合物半導體，如碲化鎘、砷化鎵、碘化汞、硒化鎘等，均已用于制備X、γ射線探測器,并已取得不同程度的進展。

應用領域隨著科學技術不斷發(fā)展需要2，科學家們在鍺鋰Ge(Li)、硅鋰Si(Li)、高純鍺HPGe、金屬面壘型等探測器的基礎上研制出許多新型的半導體探測器，如硅微條、Pixel、CCD、硅漂移室等，并廣泛應用在高能物理、天體物理、工業(yè)、安全檢測、核醫(yī)學、X光成像、軍事等各個領域。世界各大高能物理實驗室?guī)缀醵疾捎冒雽w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(zhì)子-質(zhì)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還采用了硅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(yōu)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(zhì)和暗物質(zhì)。它的探測器核心部分的徑跡室采用了多層硅微條探測器。由美國、法國、意大利、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硅微條探測器，總面積大于80平方米，主要用來作為γ→ e-+e+ 的對轉(zhuǎn)換過程的徑跡測量望遠鏡。硅微條探測器的位置分辨率可好于σ=1.4μm，這是任何氣體探測器和閃爍探測器很難作到的。