半導體探測器-08

第四章半導體探測器

§4-1半導體的基本知識和探測器的工作原理§4-2能量測量半導體探測器§4-3半導體探測器的主要參量§4-4位置測量半導體探測器§4-5半導體探測器的應用2023/12/25中國科大汪曉蓮2SemiconductorDetector優(yōu)點：1）很高的能量分辨率，比氣體探測器大約高一個數(shù)量級，比閃爍計數(shù)器高的更多。因為在半導體中電離產(chǎn)生一對電子－空穴對只需要3eV左右的能量；帶電粒子在半導體中的能量損失很多，在硅晶體中大約為3.9MeV/cm，所以能量相同的帶電粒子在半導體中產(chǎn)生的電子－空穴對數(shù)比在氣體中產(chǎn)生的離子對數(shù)高一個數(shù)量級以上。這樣,電離對數(shù)的統(tǒng)計誤差比氣體小很多。2）很寬的能量響應線性范圍3）很快的響應時間，ns量級，高計數(shù)率>108/cm2·s4）體積小5）很好的位置分辨率，好于1.4m。缺點：對輻射損傷靈敏2023/12/25中國科大汪曉蓮3§4-1半導體的基本知識和

探測器的工作原理一、半導體的基本知識1.固體的導電性：

物體導電是物體內(nèi)電子在外電場作用下定向運動的結果。2.導體、半導體、絕緣體的能帶

由于電場力對電子的作用，使電子的運動速度和能量發(fā)生變化。從能帶論來看，電子能量變化就是電子從一個能級躍遷到另一個能級上。滿帶：被電子占滿的能級，一般外電場作用時，其電子不形成電流，對導電沒有貢獻，亦稱價帶。導帶：被電子部分占滿的高能態(tài)能級，在外電場作用下，電子從外電場吸收能量躍遷到未被電子占據(jù)的能級上去，形成電流，起導電作用。2023/12/25中國科大汪曉蓮4禁帶：滿帶和導帶之間的禁區(qū)稱為禁帶，其寬度也稱為能隙，記做Eg。導體、半導體和絕緣體之間的差別在于禁帶寬度不同：導體不存在禁帶，滿帶和導電交織在一起；半導體禁帶較窄，Eg=0.1-2.2eV

絕緣體禁帶較寬，Eg=2-10eV

由于能帶取決于原子間距，所以Eg與溫度和壓力有關。一般禁帶寬度大的材料，耐高溫性能和耐輻照性能好。2023/12/25中國科大汪曉蓮5材料SiGeCdTeCdZnTeHgI2

CdSeGaAs原子序數(shù)（Z）143248、5248、30、5280、5348、3431、33密度（g/cm3）2.335.326.065.9～5.956.45.745.36介電常數(shù)

11.715.74.468.812.5禁帶寬度Eg(eV)1.12/1.160.67/0.741.471.4～2.262.131.701.43平均電離能W(eV)3.62/3.762.80/2.964.464.34.35工作溫度（K）300/77300/77300300300300300漂移遷移率[cm2/(V.s)]電子14503900110011001006508600空穴4501900100504651000少數(shù)載流子壽命τ(

s)10310361.1×10-22510-30.1電阻率(Ω·cm)104102109101110131012107俘獲長度(mm)103103111能量分辨率FWHM(KeV)55Fe,X5.9KeV0.1361.11.50.295241Am,

59.5KeV0.400.31.531.25.92.657.Co,

122KeV0.550.44.53.92.0137Cs,

662KeV0.90.98104.5241Am,

5.48MeV13.564.8幾種半導體材料的性能參數(shù)2023/12/25中國科大汪曉蓮63.本征半導體理想的不含雜質(zhì)的半導體稱為本征半導體，導帶上的電子數(shù)目嚴格等于滿帶上的空穴數(shù)目，n=p。一般情況下，半導體的滿帶完全被電子占滿，導帶中沒有電子。在熱力學溫度為零時，即使有外電場作用，它們并不導電。但是當溫度升高或有光照時，半導體滿帶中少量電子會獲得能量而被激發(fā)到導帶上，這些電子在外電場作用下將參與導電。同時滿帶中留下的空穴也參與導電。N型（電子型）半導體：導帶內(nèi)電子運動，參與導電。P型（空穴型）半導體：滿帶內(nèi)空穴運動，參與導電。載流子：是電子和空穴的統(tǒng)稱。溫度高，禁帶寬度小，產(chǎn)生的載流子數(shù)目就多；產(chǎn)生得越多，電子與空穴復合的幾率也越大。在一定溫度下，產(chǎn)生率和復合率達到相對平衡，半導體中保持一定數(shù)目的載流子。2023/12/25中國科大汪曉蓮7載流子濃度：固體物理可以證明本征半導體內(nèi)的載流子平衡濃度每立方厘米體積中電子與空穴的濃度禁帶寬度(eV)絕對溫度(K)玻爾茲曼常數(shù)比例系數(shù)2023/12/25中國科大汪曉蓮8SiliconDetectorSomecharacteristicsofSiliconcrystals

SmallbandgapEg=1.12eV?

0(e-hpair)=3.6eV

Highspecificdensity2.33g/cm3dE/dx(M.I.P.)≈3.9MeV/cm≈102e-h/μm(average)

Highcarriermobility

μe=1450cm2/V.s,μh=450cm2/V.s?fastchargecollection(<10ns)

Verypure<1ppmimpuritiesRigidityofsiliconallowsthinselfsupportingstructuresDetectorproductionby

microelectronictechniques2023/12/25中國科大汪曉蓮9把電子貢獻給導帶的雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)，雜質(zhì)能級叫施主能級，位于導帶底部。常用的五價元素有：P(磷)、As(砷)、Sb(銻)、Li(鋰）等。五價元素原子的第5個價電子都激發(fā)到導帶中參與導電，五價元素原子成為正離子，是不能移動的正電中心。這種半導體的導電主要是電子貢獻，稱作電子型或N型半導體。能接受滿帶中電子而產(chǎn)生導電空穴的雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)，常用的三價元素有：B(硼)、Al(鋁)、Ga(鎵)、In(銦)。三價元素原子有從附近吸收一個電子的趨勢，在滿帶上面形成一個新的局部能級，叫受主能級。滿帶中的電子很容易跳入該能級。在室溫下三價元素原子幾乎都形成負離子，是不能移動的負電中心，而在滿帶中產(chǎn)生空穴。這種半導體的導電主要是空穴的貢獻，稱作空穴型或P型半導體。摻雜：在本征半導體內(nèi)摻入雜質(zhì)，來改變半導體材料的性能。2023/12/25中國科大汪曉蓮10N型半導體的本征空穴和P型半導體的本征電子也參與導電，稱為少數(shù)載流子。對于摻雜半導體，除了本征激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對以外，還有施主雜質(zhì)提供的電子和受主雜質(zhì)提供的空穴，所以電子和空穴的濃度不相等。結構缺陷

點缺陷：晶格上出現(xiàn)空位或應該空位處出現(xiàn)了原子。

線缺陷：晶體受應力作用發(fā)生錯位（沿平面滑移）。晶格缺陷也能俘獲或放出電子，相當于在晶體禁帶中附加受主或施主能級，也起受主或施主作用。2023/12/25中國科大汪曉蓮11二、PN結（pnjunction）結合前，N區(qū)的電子比P區(qū)多，P區(qū)的空穴比N區(qū)多。結合后，電子由N區(qū)向P區(qū)擴散與空穴復合；空穴由P區(qū)向N區(qū)擴散與電子復合。擴散的結果形成PN結。在PN結區(qū)，電子空穴很少，剩下的雜質(zhì)正負離子形成空間電荷區(qū)，其內(nèi)建電場方向由N區(qū)指向P區(qū)，阻止電子、空穴繼續(xù)擴散，并造成少數(shù)載流子的反向漂移運動。當擴散運動和反向漂移運動達到平衡時，P區(qū)或N區(qū)的電子空穴濃度就不再變化。這個由雜質(zhì)離子組成的空間電荷，即PN結區(qū)，亦稱耗盡區(qū)，阻擋層，勢壘區(qū)。2023/12/25中國科大汪曉蓮12半導體探測器的靈敏區(qū)內(nèi)建電勢差VD，加在PN結兩邊的電位差，勢壘高度為eVD。為什么半導體PN結可作為靈敏區(qū)？1）在PN結區(qū)可移動的載流子基本被耗盡，只留下電離了的正負電中心，對電導率無貢獻，其具有很高的電阻率。2）PN結加上一定負偏壓，耗盡區(qū)擴展，可達全耗盡，死層極薄，外加電壓幾乎全部加到PN結上，形成很高電場。3）漏電流很小，有很好的信噪比。2023/12/25中國科大汪曉蓮13PN結的偏壓特性加反向電壓，N區(qū)接正，P區(qū)接負，外加電場方向與內(nèi)建電場方向相同，使耗盡層增厚，漂移運動增強。當帶電粒子穿過時產(chǎn)生電子－空穴對，在高電場下分別向正負電極漂移，產(chǎn)生信號。信號幅度正比于電子空穴對數(shù)目，正比于入射粒子損失能量。所以加反向偏壓的PN結就是結型半導體探測器的靈敏區(qū)。2023/12/25中國科大汪曉蓮14三、載流子的產(chǎn)生和復合非平衡載流子：入射粒子產(chǎn)生的載流子。類似氣體電離，產(chǎn)生一對電子空穴對所需消耗的能量稱作平均電離能

0，0與Eg一樣與半導體材料和溫度有關。復合和俘獲：1）導帶上的電子直接被滿帶中空穴俘獲；2）通過晶體中雜質(zhì)和晶格缺陷在禁帶內(nèi)的中間能級——

復合中心和俘獲中心進行溫度硅Si的

0鍺Ge的

0室溫300K3.62eV2.80eV低溫77K3.76eV2.96eV2023/12/25中國科大汪曉蓮15載流子壽命：非平衡載流子數(shù)目N0隨時間按指數(shù)規(guī)律衰減。載流子漂移速度：擴散長度或俘獲長度：

表示非平衡載流子從產(chǎn)生到消失前平均移動的距離。擴散長度必須大于探測器靈敏區(qū)厚度。

：非平衡載流子從產(chǎn)生到復合或俘獲前平均存在的時間2023/12/25中國科大汪曉蓮16對半導體探測器材料的基本要求材料要求物理要求Ln,p大或

n,p大電荷收集效率高能量分辨好Eg大使用溫度高抗輻照性能好雜質(zhì)濃度低靈敏區(qū)厚度大原子序數(shù)大

射線探測效率高材料和加工工藝合適可生產(chǎn)有用的探測器2023/12/25中國科大汪曉蓮17§4-2能量測量半導體探測器一、PN結型探測器擴散型將一種類型的雜質(zhì)擴散到另一種類型的半導體內(nèi)形成PN結。通常是把五價磷在高溫下（800－1000oC)擴散到P型硅中，擴散深度由調(diào)節(jié)溫度和時間來控制。從而在P型硅表面形成高濃度的N＋層，在P型硅和N型硅交界處就得到了PN結。結區(qū)厚1－2m，電極和信號引出的歐姆接觸利用真空沉積或化學鍍等方法實現(xiàn)。優(yōu)點：漏電流小，對輻射損傷不靈敏。缺點：死層較厚，不易獲得大面積PN結，生產(chǎn)過程中高溫處理，導致載流子壽命減小，影響能量分辨率。2023/12/25中國科大汪曉蓮182.面壘型金硅面壘探測器優(yōu)點：窗薄，噪聲低，不經(jīng)高溫處理，能量分辨率高，能量線性響應好。工藝簡單，成品率高，易于制得大面積探測器。主要用于測量質(zhì)子、粒子和重離子等帶電粒子。2023/12/25中國科大汪曉蓮193.

離子注入型制備：利用加速器產(chǎn)生一定能量（5－100KeV)的雜質(zhì)正離子束，直接穿透半導體表面形成PN結。常用硼離子束轟擊N型硅，或用磷離子束轟擊P型硅，調(diào)節(jié)離子束能量和強度，得到所需的摻雜深度和濃度。優(yōu)點：入射窗薄，薄至30-40nm。缺點：能量分辨率不如面壘型，但比擴散型好。入射離子束產(chǎn)生強的輻射損傷，形成大量復合和俘獲中心。使用較低能量的離子束和在一定溫度下退火，可以消除這一效應。2023/12/25中國科大汪曉蓮20二、鋰漂移型探測器由于鋰在Si和Ge中的電離能較低，在室溫下鋰全部電離，電子進入導帶內(nèi)起施主作用。Li＋半徑小于Si和Ge的晶格距離很多，在電場作用下很容易進入半導體內(nèi)部，向深處擴散。Li＋和P型受主雜質(zhì)B-由于靜電作用形成穩(wěn)定的(Li＋B-)對，達到補償?shù)哪康摹Ｐ纬呻娮杪屎芨叩谋菊鲗?I型，亦稱I區(qū))，本征層電場很強，是探測器的靈敏區(qū)。2023/12/25中國科大汪曉蓮21二、鋰漂移型探測器鋰漂移型探測器是準本征材料和PN結的組合，常稱作NIP探測器。本征層厚度：最大優(yōu)點是靈敏層厚，可達0.5－6mm，適于用作和x射線測量。硅鋰探測器Si(Li)，可在室溫下工作，在液氮溫度下性能改善。主要探測射線和低能射線，E

<100KeV。鍺鋰探測器Ge(Li)，必須在液氮溫度下工作。鋰漂移型探測器必須在低溫下加反偏壓存儲，否則鋰離子在室溫下有相當?shù)倪w移率，而使性能變壞。V漂移電壓，t漂移時間，鋰離子遷移率2023/12/25中國科大汪曉蓮22同軸型Ge(Li)探測器

大多數(shù)是圓柱形。

平面型

單開端雙開端

只要延長單晶長度就可以增大靈敏體積。2023/12/25中國科大汪曉蓮23三、高純鍺探測器利用純度很高的鍺制成PN結，耗盡層隨反向偏壓的增加而增厚。當偏壓很高時，整塊晶體都成了耗盡層。有平面型，或具有環(huán)狀深溝的槽型結構，也可是同軸型。優(yōu)點：易制備成大靈敏體積的探測器，可在室溫下儲存，在高低溫下(170K)工作，性能仍很好。它的能量分辨率和對射線的探測效率與Ge(Li)探測器相同。2023/12/25中國科大汪曉蓮24

高純鍺半導體探測器高純鍺耗盡層剖面圖高純鍺槽型探測器

2023/12/25中國科大汪曉蓮25高純鍺半導體探測器2023/12/25中國科大汪曉蓮26四、化合物半導體探測器CdTe、CdZnTe探測器優(yōu)點：原子序數(shù)高，禁帶寬度大，電阻率高，非常適合探測10－500KeV的光子，可以在室溫下工作。體積為1－2cm3的晶體可探測能量1MeV以上的光子，用于x射線、射線能譜測量。對57Co的122KeV射線的半寬度室溫時為5.9KeV。缺點：載流子壽命不夠大，俘獲長度較小，造成電荷收集不完全，能譜性能受限制。2023/12/25中國科大汪曉蓮27CdZnTe（CZT）晶體是近年發(fā)展起未的一種性能優(yōu)異的室溫半導體核輻射探測器新材料。CZT晶體是由于CdTe晶體的電阻率較低，所制成的探測器漏電流較大，能量分辨率較低，就在CdTe中摻入Zn使其禁帶寬度增加，而發(fā)展成了的一種新材料。隨Zn含量的不同，禁帶寬度從1.4eV（近紅外）至2.26eV（綠光）連續(xù)變化，所制成的探測器漏電流小，在室溫下對X射線，γ射線能量分辨率好，能量探測范圍在10KeV－6MeV，且無極化現(xiàn)象。1.CdTe、CdZnTe探測器2023/12/25中國科大汪曉蓮28性能比較：半導體種類CdTeCdZnTe原子數(shù)48,5248,30,52密度(g.cm-3)5.855.81禁帶寬度(eV)1.441.6電阻率(

·cm)109(1-5)×1010()e×10-3cm2V-10.1-20.8-9()h×10-5cm2V-11-100.1-12023/12/25中國科大汪曉蓮292.GaAs探測器性能：原子序數(shù)為31和33，與鍺相近，Eg=1.45eV。主要用作室溫譜儀和譜儀。室溫時，對57Co的122KeV射線的半寬度為3.8KeV。制備：GaAs微條探測器用肖特基技術形成PN結,要二次光刻(硅微條探測器用擴散技術需要四次).采用金屬-半導體-金屬(M-S-M)結構,將Cr-Au金屬與GaAs晶片的正反兩面形成雙肖特基結。結構：微條粒子探測器的結構是M-S-M結構，襯底是半絕緣的GaAs晶片，探測器表面覆蓋SiO2鈍化層,在每一微條中，相隔1000

m距離開壓塊孔，其面積為120

m×120

m。設計壓塊的目的是為了可隨意提取探測器在某一個位置的電信號。2023/12/25中國科大汪曉蓮302.GaAs探測器2023/12/25中國科大汪曉蓮31用分子束外延技術在半絕緣GaAs襯底上生長GaAs／GaAlAs矩形多量子阱和雙勢壘多擋量子阱結構。雙色探測器是由這兩部分串接而成。單元中紅外探測器為臺面形式，臺面采用通常光刻和濕法腐蝕工藝制成。在臺面頂部和底部的n+型GaAs層上蒸上AuGe／Ni，通過合金形成良好的歐姆接觸。接觸面采用45度斜角入射方式.潛在的應用：大氣層攔截,空間對地觀察,衛(wèi)星測繪,導彈制導,夜視技術等。2023/12/25中國科大汪曉蓮323.HgI2探測器原子序數(shù)為80和53，比鍺大，Eg=2.13eV。主要用作室溫或高溫譜儀。電離效率高(52％),少數(shù)載流子的遷移率和壽命的乘積大,可制備出噪聲水平低、漏電流低、探測效率高、計數(shù)率高、能量分辨率較好、能在常溫下運行的半導體探測器。對57Co的122KeV射線的半寬度室溫時為4.3KeV?？梢怨ぷ髟?00－400oC下。發(fā)展方向集中在對碘化汞基礎原料的研究及其殘留缺陷和雜質(zhì)特性的認識。提高碘化汞晶體的均勻性是研制大面積晶片成像裝置的關鍵。由于碘化汞探測器的問題主要集中在較差空穴收集率，所以如何提高其空穴收集率仍是目前研究的熱點。2023/12/25中國科大汪曉蓮33五、特殊類型半導體探測器1.全耗盡探測器是一種特殊的PN結型探測器，其P和N層減至最薄，使硅材料中不存在未耗盡部分，選用電阻率大的材料和適當高的工作電壓，可以使耗盡層擴展到探測器整個厚度。主要用于粒子鑒別。粒子穿過它是損失能量，與粒子入射能量和種類有關，測量ΔE即可確定粒子種類。故又叫ΔE探測器。探測器厚度與所要探測的粒子能量和種類有關。探測>1MeV的電子，厚度為100～200m；探測質(zhì)子和重粒子，厚度很薄～十幾

m；面壘型4m。因非耗盡層可忽略，結電容是常數(shù)，所以其輸出幅度穩(wěn)定，上升時間快，一般為十幾ns，好的可小到2ns?？梢杂糜陲w行時間測量和其他要求快的地方。2023/12/25中國科大汪曉蓮342.位置靈敏探測器

在半導體背面做一層高阻層(10-20K)，在該層兩端加上電壓。若A端接地B端接電荷靈敏放大器，因放大器輸入阻抗很低，則B端輸出信號正比于入射粒子位置，稱作“位置信號”。由B端輸出的電流信號為入射粒子能量C端輸出信號與位置無關,僅正比于能量E，稱作“能量信號”。高阻層電阻與長度成正比則B端的輸出電壓信號2023/12/25中國科大汪曉蓮353.電流型探測器類似電流脈沖電離室情況，電流型半導體探測器用于探測脈沖射線源（即快瞬時、高強度的、n、X）的強度和時間行為。所以具有線性響應好、輸出脈沖電流與輻照劑量率成正比，輸出電流大、時間響應快等特點，上升時間小于10ns。

三種制造工藝第一種是用化學鍍銅工藝和面壘工藝第二種是雙擴散NIP電流型探測器第三種是離子注入NIP電流型探測器2023/12/25中國科大汪曉蓮364.內(nèi)放大探測器類似晶體三極管的放大型和工作在雪崩狀態(tài)的PN結型，類似氣體正比計數(shù)器的雪崩二極管發(fā)展很快并已獲得應用。主要是利用工藝和結構上的辦法來達到既使電子倍增，又使噪聲增加并不嚴重的目的。三種制作技術：擴散，離子注入（帶有擴散）以及外延。

面積約25mm2，厚度對雙擴散法可達150

m，雙外延法為30

m，放大倍數(shù)為10

80。對55Fe的5.9KeVX射線得到600eV的能量分辨。2023/12/25中國科大汪曉蓮37§4-3半導體探測器的主要參量一、窗厚定義：粒子進入探測器靈敏區(qū)之前通過的非靈敏區(qū)叫窗或死層。窗厚會導致能量損失并使能量分辨變壞。金硅面壘型的窗：金層厚度＋硅的死層一般金層厚20－100g/cm2，硅死層厚正比于擴散型的窗：通常為0.5-2m，較厚。離子注入型的窗：與離子束能量有關，可以很薄。對10K

的高阻硅，窗厚可做到0.04m。鋰漂移型：從鋰擴散面入射，窗是厚的，達0.1-0.3mm。但做成全耗盡型，從背面金層入射，窗較薄，達0.1m。高純鍺：可以象面壘型和離子注入型一樣做得較薄。2023/12/25中國科大汪曉蓮38二、靈敏區(qū)厚度靈敏區(qū)：是PN結的勢壘區(qū)、耗盡層或者鋰漂移型的補償區(qū)。靈敏區(qū)的厚度定義：粒子垂直入射的靈敏區(qū)的厚度，記作d。其確定了能探測的粒子的最大能量。對PN結型：普通的PN結型靈敏區(qū)厚度可以從幾

m-1mm。高純鍺探測器因有很高的電阻率，可以加很高的偏壓，所以靈敏區(qū)厚度可以做到幾cm。

對鋰漂移型：靈敏區(qū)厚度包括本征補償層和向兩邊的外延，由漂移過程決定。一旦做好以后基本為常數(shù)。對平面型為0.5-10mm

對同軸型為50-100mm

2023/12/25中國科大汪曉蓮39三、結電容近似情況下，半導體探測器相當于一個填充絕緣介質(zhì)的平板電容器。鋰漂移探測器d與工作電壓無關，Cd接近于常數(shù)，一般為十幾到幾十pF。PN結型Cd與工作電壓有關，一般為幾十到幾百pF。2023/12/25中國科大汪曉蓮40同軸型探測器的結電容：十幾至幾十pF探測器輸出脈沖幅度與電容有關，

為了得到結電容較小的探測器，應選用電阻率高的材料，使用高的工作偏壓和減小探測器面積。結電容隨工作電壓變化，造成能量相同的的入射粒子在靈敏區(qū)產(chǎn)生相同的電子－空穴對，但輸出脈沖幅度卻可能不同，所以PN結型半導體探測器必須使用電荷靈敏放大器。介電常數(shù)本征區(qū)高度本征區(qū)外徑本征區(qū)內(nèi)徑2023/12/25中國科大汪曉蓮41四、正反向電流特性要求：二極管伏安特性。正向電流上升很陡；反向電流越小越好。反向電流三個來源：1）擴散電流：由靈敏區(qū)外少數(shù)載流子擴散到靈敏區(qū)內(nèi)產(chǎn)生，一般很小。但若兩電極不是歐姆接觸，而是形成另外的PN結，將使反向電流大為增加。2023/12/25中國科大汪曉蓮422）體電流：由靈敏區(qū)內(nèi)復合和俘獲中心因本征熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子在外電場作用下向兩極運動，形成反向體電流。它與靈敏區(qū)內(nèi)本征載流子數(shù)目成正比，即與本征載流子濃度與靈敏區(qū)體積以及溫度成正比。

：少數(shù)載流子壽命。體電流是反向電流的主要部分，在低溫下工作可以大大減小。3）表面漏電流：沿探測器表面的漏電流，與制造工藝、表面處理、沾污程度、環(huán)境條件等因素有關。會直接影響擊穿電壓。制造時可采用增加表面溝槽或保護環(huán)技術，使用時保證干燥和表面清潔，以減少漏電流。2023/12/25中國科大汪曉蓮43五、能量分辨率和線性影響能量分辨率的主要因素：1）由電離效應產(chǎn)生的電子空穴對的統(tǒng)計漲落：材料Z介電常數(shù)密度(g/cm3)平均電離功

0(eV)法諾因子F300K77K理論實測Si1411.72.333.623.760.0500.069Ge2215.75.332.802.960.1210.058CdTe48，524.460.0432023/12/25中國科大汪曉蓮442）入射粒子與原子核的散射和核反應的統(tǒng)計漲落造成收集電荷的統(tǒng)計漲落迭加在電離起伏上。3）朗道效應和溝道效應

薄的dE/dx探測器或高能粒子的電離損失－朗道效應。晶格的特殊方向上單位距離上原子數(shù)較少，重帶電粒子沿該方向入射時電離損失減少－溝道效應。4）電子空穴在探測器內(nèi)的俘獲和復合；

由于俘獲和復合造成載流子收集不完全影響能量分辨。由于俘獲和復合中心分布不均勻造成輸出脈沖起伏，與俘獲中心的類型、數(shù)量和空間分布有關，也與入射粒子種類和能量有關。要求材料的俘獲長度遠大于靈敏區(qū)厚度。5）探測器和放大器的噪聲；探測器的噪聲主要來源于反向漏電流的起伏。降低工作溫度可以減小噪聲。6）探測器窗厚、放射源厚度影響等等。

窗厚的影響對低能重粒子明顯，使用薄窗探測器。2023/12/25中國科大汪曉蓮45能量線性很好

半導體的平均電離功與入射粒子的能量和種類以及探測器的類型無關，只要所產(chǎn)生的電子空穴對全部被收集，探測器輸出脈沖與入射粒子能量成正比。半導體探測器對各種粒子都有良好的能量線性。

：收集效率但對低能重粒子，特別是重離子和核裂片，呈現(xiàn)能量非線性。輸出脈沖高度U與入射粒子能量E關系：

：常數(shù)，

：脈沖高度虧損2023/12/25中國科大汪曉蓮46六、脈沖波形和上升時間類似平板固體電離室。在電場作用下，入射粒子產(chǎn)生的電子空穴分別向正負電極運動。設半導體探測器內(nèi)電場均勻分布，其輸出電壓脈沖和電流脈沖可以用氣體電離室的公式表示由于電子和空穴的漂移速度不同，它們對輸出脈沖的貢獻不同，輸出脈沖形狀與產(chǎn)生電離的位置X0有關。2023/12/25中國科大汪曉蓮47三種情況的電壓脈沖幅度都是實際上入射粒子并不是只在X0處產(chǎn)生電子空穴對，而是沿入射路徑電離，因而電壓脈沖上升時間最大值T由空穴最大漂移時間T2決定。上式對全耗盡的鋰漂移型適用，T為幾十到幾百ns。對PN結型，由于結區(qū)電場不均勻，上述推導不成立。金硅面壘探測器的T為幾到十幾ns。靈敏區(qū)厚度工作偏壓2023/12/25中國科大汪曉蓮48七、輻照效應半導體探測器的輻照損傷很嚴重。因為輻照在半導體中會造成晶格缺陷，這些缺陷會成為俘獲中心，從而降低載流子的壽命，使電阻率發(fā)生變化，材料性能發(fā)生變化，導致探測器性能變差。輻射損傷與輻射種類、劑量率以及輻照時間和條件有關。面壘型和擴散型：裂變產(chǎn)物<108/cm2

α粒子<109－1011/cm2快中子<1011－

1014/cm2

慢中子

1015/cm2性能沒有明顯變化射線<1015－

1016/cm2鋰漂移型和高純鍺耐輻照性能更差，快中子和高能質(zhì)子通量大于109－1010個/cm2時，分辨率明顯變壞。2023/12/25中國科大汪曉蓮49八、不同粒子在Si材料中的射程2023/12/25中國科大汪曉蓮50九、電荷靈敏放大器RL負載電阻，Ri、Ci為前放輸入電阻與電容。2023/12/25中國科大汪曉蓮51I(t)電子空穴漂移產(chǎn)生的感應電流脈沖信號，Rd探測器加反向偏壓時靈敏區(qū)的電阻，Cd結電容，C’分布電容，Rs、Cs為探測器非靈敏區(qū)的電阻和電容。2023/12/25中國科大汪曉蓮52選擇輸出回路的時間常數(shù)R0(Cd+Ca)比探測器載流子的收集時間大得多，則I(t)對(Cd+Ca)充電時，從R0上漏掉的電荷可忽略。輸出電壓脈沖幅度峰值Vp為：

輸出脈沖與結電容有關。Cf：反饋電容，C：Cf斷開時放大器Ci＋C’電荷靈敏放大器：開環(huán)增益很大的電容負反饋放大器，其輸入電容極大且穩(wěn)定。2023/12/25中國科大汪曉蓮53反饋電容兩端的電壓幅度：反饋電容兩端的電荷量：反饋電容對放大器輸入的影響相當于在輸入端接了一個容量為(1＋K)Cf的大電容。輸出回路的總電容為：當R0很大時，只要K足夠大，與結電容無關2023/12/25中國科大汪曉蓮54隨著高能物理實驗的不斷發(fā)展，半導體探測器也有很大發(fā)展。其中硅微條探測器SMD(SiliconMicro-stripDetector)、像素探測器(Pixel)和CCD(Charge-CoupledDevice)的發(fā)展是半導體探測器新發(fā)展的突出代表。近十幾年來,世界各大高能物理實驗室?guī)缀醵疾捎肧MD作為頂點探測器：ATLAS和CMS作為探測粒子徑跡的徑跡室(tracker)。新型的半導體探測器的飛速發(fā)展和應用不僅促進了高能物理的發(fā)展,而且還推動了天體物理、宇宙線物理、核醫(yī)學數(shù)字影像技術等領域的發(fā)展。在核醫(yī)學領域的CT和其它數(shù)字化圖像方面的應用研究,也有了很多新的進展。

§4-4位置測量半導體探測器2023/12/25中國科大汪曉蓮55一、硅微條探測器

優(yōu)點1.非常好的位置分辨率～1.4

m。2.很高的能量分辨率。3.很寬的線性范圍。4.非常快的響應時間～5ns，高計數(shù)率，可>108/cm2·s。5.體積可做得很小。缺點對輻射損傷比較靈敏,受到強輻射其性能將變差。體電流密度V體積(cm3)，粒子流(粒子/cm2)，對最小電離的質(zhì)子和π介子＝2×10－17A/cm2023/12/25中國科大汪曉蓮56SingleSidedStripDetectorusingn-typesiliconwitharesistivityofρ=2K?cmresultsinadepletionvoltage~150VResolutionσdependsonthepitchp(distancefromstriptostrip)typicalpitchvaluesare20μm–150μm?50μmpitchresultsin14.4μmresolution.300mDoublesidedsilicondetectorsSiO2Al硅微條探測器2023/12/25中國科大汪曉蓮57Siliconstripdetector2023/12/25中國科大汪曉蓮582023/12/25中國科大汪曉蓮592023/12/25中國科大汪曉蓮602023/12/25中國科大汪曉蓮612023/12/25中國科大汪曉蓮62二、硅漂移室（SiliconDriftdetector）硅漂移室是在n型的硅片的兩個表面,注入雜質(zhì)硼形成重攙雜p+條,中間是一層未耗盡區(qū),在邊緣形成一個n+微條與中間未耗盡區(qū)相連,當外加一定負偏壓后,使整個硅片實現(xiàn)全耗盡。硅片內(nèi)部的電位分布,在z方向成為拋物線型,中心的電位最低,而靠近兩個表面的部位兩個表面的部位最高。在水平方向,電位分布是靠近正極n+最低,遠離n+方向的電位高。當帶電粒子穿過探測器時產(chǎn)生電子空穴對,電子就會落入低電位的谷中,然后沿著電場的水平方向分量向電位最低的正極微條n+漂移,形成電信號。信號經(jīng)過前端電子學電路放大,數(shù)字化讀入計算機中,如圖9的示意圖。通過測量電子的漂移時間(從某一個被定義等級的p+微條到正極n+微條)及被分割開的n+讀出微條上的坐標就得到了入射粒子的位置信息。它很像氣體漂移室,但它的優(yōu)點是可以大大節(jié)省電子學經(jīng)費。另外,電子在耗盡區(qū)漂移很長距離才到達面積很小的正電極,電極之間的電容很小,因此噪聲減小,有利于提高能量分辨率。還有,普通的半導體探測器的計數(shù)率一般在幾十kHz以下,硅漂移室由于其電容最高。在水平方向,靠近正極n+電位最低,遠離n+方向的電位高。當帶電粒子穿過探測器時產(chǎn)生電子空穴對,電子沿電場的水平方向分量向正極微條n+漂移,形成電信號。信號經(jīng)前端電子學電路放大,數(shù)字化讀入計算機。通過測量電子的漂移時間(從某一個被擊中的p+微條到正極n+微條)及被分割開的n+讀出微條上的坐標就得到入射粒子的位置信息。電子在耗盡區(qū)漂移很長距離才到達面積很小的正電極,電極之間的電容很小,因此噪聲減小,有利于提高能量分辨率。普通的半導體探測器的計數(shù)率一般在幾十kHz以下,硅漂移室由于其電容小,相應的脈沖成形時間很短，允許計數(shù)率比一般的半導體探測器高幾十倍。它的時間分辨可小于1ns,并且它有兩維的位置分辨,其中沿漂移方向的位置分辨率可達到幾個μm。它也常用作為能量測量。2023/12/25中國科大汪曉蓮63硅漂移室結構可分為幾種類型:①一維讀出型②陽極被分割的兩維讀出型③圓型④多單元陣列型⑤可控型2023/12/25中國科大汪曉蓮64三、像素探測器（PixelDetector）

Pixel是由許多精心設計非常小的PN結組成的,它能夠非?？斓靥峁﹥删S信息。每一個小室(cell)都連接它自己的讀出電子學。像素探測器具有非常好的位置分辨率,在每單位面積上需要大量的電子學路數(shù)。像素探測器的像素有的采用簡單的PN結型二極管和光電二極管,有的采用PIN光敏二極管和耗盡型場效應晶體管,還有的采用小型硅漂移室單元和CMOS器件單元等,它們各自有不同的優(yōu)缺點,各有不同的用途。2023/12/25中國科大汪曉蓮65PixelDetector探測器每個像素和電子學集成在相同的基片上叫單一型像素探測器。把像素探測器及前端電子建立在不同的基片上，然后對應的連接起來叫混合像素探測器。每個像素和它對應的讀出電子學的連接有兩種方法:一種是用倒裝片技術。另外一種是使用雙層金屬,即每個像素和對應的電子學,通過在探測器邊緣的焊片連接。2023/12/25中國科大汪曉蓮66四、電荷耦合器件探測器CCDCCD已經(jīng)使用幾十年了,過去多用在光測量和攝像機上,即使在高能物理中的應用,也是作為火花室和流光室的徑跡圖像記錄。近些年科學家們已直接把它用作高能物理探測器,如SLDVXD3探測器,采用96CCD’S×3.2×108=3.07×108

個像素(20

m×20

m)每個CCD讀出通過4個輸出結,8位FADC,全部讀出時間是200ms。日本KEK計劃用它來作為未來實驗的頂點探測器,位置分辨率設計為2

m。CCD作為粒子探測器,探測的不再是光,而是帶電粒子,所以它的結構也有些變化。當帶電粒子射入探測器時,產(chǎn)生電子空穴對,電荷傳輸在CCD很薄的耗盡區(qū)內(nèi)進行。CCD的結構是在一塊硅片上集成很多的MOS(金屬－氧化物－半導體)器件，如在Si上生成一層SiO2絕緣層，上面再沉積一層金屬Pb，每個MOS器件類似一個小半導體探測器?，F(xiàn)代的CCD有線型的,還有面型的;從原理結構上分有pn-CCD,也有CMOS型的。2023/12/25中國科大汪曉蓮67PN結CCD結構圖

MOSCCD的結構圖

雙相CCD的結構

2023/12/25中國科大汪曉蓮68CCD的工作原理CCD的單元很小，只有幾個

m2,間距3－5m，相鄰單元加不同電壓時會使它們收集的電荷相互轉(zhuǎn)移，加一組三重周期性變化的驅(qū)動脈沖電壓，使電荷定向移向邊緣的信號輸出電極。因為信號輸出電極及讀出電子學路數(shù)都少，因此這種探測器的信號讀出比較慢。CCD的靈敏度較低，只有達到103電子/單元的電荷才能被記錄，故常要與多級微通道倍增器組合使用。2023/12/25中國科大汪曉蓮69§4-5半導體探測器的應用一、優(yōu)點：能量線性好。能量分辨高。如對5.3MeV

粒子，能量分辨E=10.8KeV(0.2%)，超過電離室；對1.33MeV射線，能量分辨E=1.3KeV(0.13%)超過NaI(Tl)；對5.9KeVx射線，能量分辨E=150eV(1.4%)，超過正比計數(shù)器。時間響應快，時間分辨好。脈沖上升時間短，ns量級，可用于時間和快符合測量。窗薄，死層小。可用于測量重帶電粒子、核裂片和低能電子及X射線。靈敏區(qū)厚度可調(diào)。結構簡單、體積小，重量輕。易制成各種形狀，滿足多種要求。對磁場(B<10KG)不靈敏。宜于磁譜儀和加速器中使用。2023/12/25中國科大汪曉蓮70二、缺點：靈敏體積不夠大。包括面積和靈敏區(qū)厚度，測量高能粒子有困難。輸出信號幅度小。常需要在低溫下工作，要求較高的電子學線路和低溫裝置。對溫度敏感。抗輻照性能差。2023/12/25中國科大汪曉蓮71三、使用技術根據(jù)被測粒子的種類、能量、使用條件和所要解決的問題，選擇半導體探測器的類型、面積和靈敏區(qū)的厚度。選擇合適的工作電壓。一般說工作電壓高了，漏電流大，高頻噪聲大，且電壓過高易造成探測器擊穿，但脈沖上升時間快，能量分辨好。工作電壓太低，結電容大，低頻噪聲大。應選取合適的工作電壓。注意電壓極性不能接錯，半導體探測器工作在反向偏置狀態(tài)。低溫干燥保存和使用。如面壘型存放在干燥皿中，鋰漂移型要低溫下加一定反向偏壓保存，Ge(Li)必須在液氮溫度下工作。保護探測器的窗。窗很薄，使用時必須小心，不用時加蓋保護罩。加蓋不透光的防護罩。半導體探測器對光靈敏，特別是金硅面壘型。為了降低噪聲，作能譜測量的Si(Li)和Ge(li)探測器必須使用真空低溫裝置。防止計數(shù)率過載。高計數(shù)率會造成基線漂移，使譜形畸變，能量分辨率變差。電子學儀器要預熱。高精度能譜測量，為防止多道的道漂，多道要預熱，必要時應使用穩(wěn)譜儀穩(wěn)譜。2023/12/25中國科大汪曉蓮72四、半導體探測器在高能物理實驗中的應用因為硅微條等新型半導體探測器的位置分辨率比氣體探測器、閃爍探測器的位置分辨率高一到兩個數(shù)量級,所以在近十幾年來,世界各大高能物理實驗室都采用它作為頂點探測器。如美國的FERMILAB的CDF和D0實驗,SLAC實驗室的B介子工廠的BaBar實驗,歐洲高能物理中心CERN的LEP正負電子對撞機上的L3、ALEPH、DELPHI、OPAL和正在建造的質(zhì)子－質(zhì)子對撞機LHC的ATLAS、CMS及日本高能物理實驗室KEK,德國的HARA、HARAB實驗等全采用了它。LHC的ATLAS、CMS采用硅微條探測器代替漂移室作徑跡測量。2023/12/25中國科大汪曉蓮73

美國費米實驗室D0實驗采用硅微條探測器作頂點探測器。為了增大覆蓋立體角,除了桶部設計得比較長外,還設計了H－DISK和F－DISK。這個頂點探測器所用的硅微條探測器都是用交流耦合輸出的,其桶部是采用單邊讀出的硅微條探測器,而H－DISK和F－DISK部分是采用雙邊讀出的硅微條探測器。讀出電子學都是采用集成電路SVXIIb,每一片SVXIIb就有128路讀出。1.D0頂點探測器H－DiskF－Disk桶部2023/12/25中國科大汪曉蓮74

ThepurposeoftheSVTistoextendSTARtrackingtothelowestachievablemomentumandtoidentifyshortlivedparticlesdecayingbeforetheyreachtheinnerlayersoftheTPC.Itconsistsof216SDD,arrangedinthreebarrelsaroundthebeampipeatradiiof~6.9cm,10.8cmand14.5cmfromtheintersectionpoint.Theactivelengthinbeamdirectionis25.2,37.8and44.4cmPositionresolutionsof20m,dE/dxwitharesolution7%.2.STARSiliconVertexTracker2023/12/25中國科大汪曉蓮753.STARUpgradeProjectorHighresolutioninnervertexdetector.(r:1.5cm，4.5cm)projectedresolutionbasedoncurrentCMOSActivebasedoncurrentCMOSActivePixelSensor(APS)technology(30×30μm)DevelophighspeedAPStechnologyforsecondgenerationsiliconreplacement.AHeavyflavorTrack