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半導體探測器
鎖定
- 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
半導體探測器發展歷史
半導體探測器的前身可以認為是晶體計數器
[1]
。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管時發現有電脈衝輸出。到1958年才出現第一個金硅面壘型探測器。直至60年代初,鋰漂移型探測器研製成功後,半導體探測器才得到迅速的發展和廣泛應用。
半導體探測器基本原理
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)。
半導體探測器半導體探測器的特點
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;
半導體探測器P-N結半導體探測器
半導體探測器工作原理
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,IS 不變;
結區體積加大,熱運動產生電子空穴多,IG 增大;
反向電壓產生漏電流 IL ,主要是表面漏電流。
半導體探測器P-N結半導體探測器的類型
擴散結(Diffused Junction)型探測器
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。工藝成熟、簡單、價廉。
半導體探測器存在的矛盾
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,探測效率受很大的侷限。
半導體探測器鋰漂移型探測器
半導體探測器簡介
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。由於鍺比硅對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釐米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温(77K)和真空中工作。
半導體探測器工作原理
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。
半導體探測器工作條件
對Ge(Li)探測器,由於鋰在鍺中的遷移率較高,須保持在低温下,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,由於鋰在硅中的遷移率較低,在常温下保存而無永久性的損傷。
半導體探測器存在問題
Li漂移探測器的問題:低温下保存代價很高;漂移的生產週期很長,約30~60天。
半導體探測器高純鍺(HPGe)半導體探測器
半導體探測器簡介
隨着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、製造週期短和可在室温下保存等優點。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。
半導體探測器工作原理
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。
半導體探測器高純鍺探測器的特點
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温下保存,低温下工作。
半導體探測器趨勢
上述各種γ射線探測器均須在低温下工作。人們日益注意探索可在常温下探測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。
半導體探測器應用領域
隨着科學技術不斷髮展需要
[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製出許多新型的半導體探測器,如硅微條、Pixel、CCD、硅漂移室等,並廣泛應用在高能物理、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良性能的先進探測器密切相關。
半導體探測器實際操作運用
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。硅微條探測器的位置分辨率可好於σ=1.4μm,這是任何氣體探測器和閃爍探測器很難作到的。
- 參考資料
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- 1. 伯託利尼. 半導體探測器[M]. 原子能出版社, 1975.
- 2. 侯新生, 方方, 馬英傑,等. 一種新型半導體探測器的應用[J]. 核電子學與探測技術, 2004, 24(1):44-46.
- 3. 徐慧超, 張金洲, 沈浩元. 用於X熒光分析的半導體探測器[J]. 常熟理工學院學報, 2006, 20(2):91-93.
- 4. 丁洪林. 半導體探測器及其應用[M]. 原子能, 1989.
- 5. 孟祥承. 新型半導體探測器發展和應用[C]// 全國核儀器及其應用學術會議. 2003:87-96.
- 6. 耿波, 方方. 用於硅半導體探測器的電荷靈敏放大器的研製[J]. 中國測試, 2006, 32(4):71-72.