高純鍺探測器課件

1、高純鍺探測器與其他探測器,,,第四節(jié)：高純鍺探測器,1.高純鍺探測器的結(jié)構(gòu)2.同軸型高純鍺探測器的電場和電容3.高純鍺探測器的主要性能,,由于一般半導(dǎo)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(qiáng)穿透能力的輻射而言，探測效率受很大的局限。由此而研發(fā)的一種耗盡層厚度較大，雜質(zhì)濃度低，電阻率極大的半導(dǎo)體探測器。其基底為高純度的鍺，稱之為高純鍺半導(dǎo)體探測器。,什么是高純鍺探測器？,4.1高純鍺探測器的結(jié)構(gòu),高純鍺探測器的

2、結(jié)構(gòu)主要有兩種：,平面型,同軸型,1）平面型高純鍺探測器,其工作原理與結(jié)構(gòu)與PN節(jié)半導(dǎo)體探測器區(qū)別不大，但體積較小，且厚度為5mm-10mm，常用于低能?或X射線的探測以及高能的帶電粒子的測量。其工作時(shí)需要注意兩點(diǎn)：1.要求其工作在全耗盡狀態(tài)2.要求在液氮溫度下使用（77K）,高純鍺探測器禁帶寬度只有0.7 eV左右，，保證Ge晶體工作于半導(dǎo)體狀態(tài)，并防止電子因?yàn)闇囟茸约ぐl(fā)帶來顯著噪聲。另外整個(gè)探測系統(tǒng)中的前置放大器通常與探測器

3、安裝在一起，前置放大器中的第一級場效應(yīng)晶體管（FET）也被冷卻至接近77 K 的溫度，目的是為了減少FET噪音。因此如果溫度升高（但在可接受范圍內(nèi)），可能觀察到探測器漏電流的顯著升高，探測器漏電流會(huì)使spectrum中低于30 keV 的區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)顯著噪音信號，漏電流的變化可使能量分辨率惡化。,2）同軸型高純鍺半導(dǎo)體探測器,同軸型的特點(diǎn)：由于鍺晶體沿著軸向可以做的很長，因此軸向探測器的有效探測長度以及靈敏體積可以做得很大（可達(dá)40

4、0cm3），從而可以用來測量穿透能力強(qiáng)的高能射線（10Mev的γ射線）。,同軸型高純鍺探測器結(jié)構(gòu),探測器外加電壓,同軸高純鍺可以是P型（常規(guī)型）也可以是N型（倒置型）Ge,其外加電壓有所不同。,關(guān)于探測器的引出電極通常采用外表面接法，這樣隨著外加電壓的增大耗盡層將由外表面向里擴(kuò)散，當(dāng)達(dá)到耗盡電壓時(shí)耗盡層剛好到達(dá)內(nèi)表面。,由于電極附近的場強(qiáng)較大，因此有利于載流子的收集，對P型HPGe,外表面為n+接觸，通常采用Li作為外表面，厚度為600

5、um左右，外加電壓采用外接法，對N型HPGe則正好相反，外表面為P+接觸，施加電壓為倒置電壓。,4.2同軸型高純鍺探測器的電場和電容,在柱坐標(biāo)中，泊松方程可以轉(zhuǎn)化為如下形式：,這里考慮雙端同軸型，設(shè)內(nèi)外徑分別為r1,r2，設(shè)外加電壓為VB，即V（r2）-V（r1）=VB安此邊界條件可求出：,1）電場：,直角坐標(biāo),柱坐標(biāo),積分形式:,靜電場的基本方程,微分形式：,電勢的泊松方程,電勢的泊松方程,,,電位?滿足的泊松方程,柱坐標(biāo)中，電勢的

6、泊松方程,直角坐標(biāo),柱坐標(biāo),,,2）電容：,對于圓柱體由高斯公式可知,,由此可得到電勢,從而有圓柱形HPGe的電容,4.3高純鍺探測器的主要性能,4.3.1能量分辨率,,,,,影響分辨率的因素,射線產(chǎn)生的電子空穴對的漲落,電子空穴對的俘獲,探測器及儀器的電子學(xué)噪聲,工作溫度,為載流子數(shù)的漲落,為漏電流和噪聲,為載流子由于陷阱效應(yīng)帶來的漲落，通過適當(dāng)提高偏置電壓減小,總能量分辨率,4.3.1能量分辨率,4.3.2探測效率,,,,,探測

7、效率的影響因素,探測器的靈敏體積,幾何形狀,臨近探測器的物質(zhì),射線的能量,這里僅討論了γ射線與特征x射線的探測效率,εp,絕對全能峰探測效率εp,,εp=,全能峰——光電效應(yīng)＋所有的累計(jì)效應(yīng),εp是射線能量的函數(shù)，因此想要高的探測效率需要使入射的射線全部沉積在靈敏體積當(dāng)中通常需要知道εp-Eγ的關(guān)系曲線，一般采用刻度法。,左圖為HPGe和Ge(Li)探測器的效率刻度曲線，是用能量和各能量射線分支比已知的放射源進(jìn)行刻度的，可以看到在能量

8、為200keV-3MeV之間相對效率與射線能量之間的關(guān)系近似為一條直線。在這個(gè)能量區(qū)間的探測效率相對來說可以準(zhǔn)確的獲得。,,,,射線的能量有關(guān),與HPGe的靈敏體積有關(guān),源與探測器的距離有關(guān),εp,εp有關(guān)的因素,相對探測效率,相對效率=,B=Co(60)1.33MeVgamma射線在NaI（?7.62cm×7.62cm）閃爍體探測器中光電峰面積,A=Co(60)1.33MeVgamma射線在HPGe靈敏體積中的光電峰面

9、積,由于相對效率與光電峰的面積有關(guān)，而光電峰與靈敏體積有關(guān)，因此，體積越大效率會(huì)增加，其間的關(guān)系（相對于1.33MeV）可表示為如下公式相對效率（%）=,4.3.3峰康比與峰形狀,峰康比：,,全能峰(光電峰),多次Compton散射,,單逃逸峰,,雙逃逸峰,提高峰康比的方法：增大靈敏體積；選著好的幾何形狀（軸長等于直徑，中心孔盡量?。?；高的能量分辨率；相對效率為10%到100%的同軸型HPGe峰康比約為40:1到80:1,低能射線

10、的全能峰,一種HPGe反康普頓?譜儀,反符合屏蔽與康普頓抑制低本底HPGeγ譜儀,用HPGe反康普頓?探測器測得的60Co ?能譜,4.3.4電荷收集和時(shí)間特性,1）輸出回路：由于HPGe探測器也是半導(dǎo)體探測器，因此其輸出回路，輸出信號與其他半導(dǎo)體探測器基本一致,考慮結(jié)電阻Rd和結(jié)電容Cd，結(jié)區(qū)外半導(dǎo)體電阻和電容RS，CS，并把探測器等效成一個(gè)人電流源，從而得到如下等效電路圖,2）電荷的收集,當(dāng) R0(Cd+Ca) >>

11、tc ( tc為載流子收集時(shí)間 )時(shí)，為電壓脈沖型工作狀態(tài)：,但是，由于輸出電壓脈沖幅度h與結(jié)電容Cd有關(guān)，而結(jié)電容 隨偏壓而變化，因此當(dāng)所加偏壓不穩(wěn)定時(shí)，將會(huì)使 h 發(fā)生附加的漲落， 不利于能譜的測量；為解決該矛盾，PN結(jié)半導(dǎo)體探測器通常不用電壓型或電流型前置放大器，而是采用電荷靈敏前置放大器。電荷靈敏放大器的輸入電容極大，可以保證 C入 >> Cd ，而 C入是十分穩(wěn)定的，從而大大減小了C

12、d變化的影響。,輸出回路的時(shí)間常數(shù)為：τ0=RfCf,則h只與反饋電容有關(guān)，保證了在偏壓不穩(wěn)定時(shí)h不發(fā)生漲落,電荷靈敏放大器,Cr是放大器的輸入電容和分布電容之和。Cf為反饋電容。如將反饋回路的電容等效到輸入端，則輸入端的總電容為,當(dāng)半導(dǎo)體探測器輸出電荷時(shí)，在放大器輸入端形成的信號電壓為,如果滿足條件A0>>1,,則,由此可見，只要滿足上述條件，電荷靈敏放大器的輸出信號幅度h就僅與探測器輸出的電荷Q成正比，而與探測器的結(jié)電容

13、Cd和放大器的輸入電容Cr無關(guān)，保證了輸出信號的穩(wěn)定性,3) 載流子收集時(shí)間,脈沖前沿從粒子入射至全部載流子被收集(tc),由于在邊界，電場強(qiáng)度趨于0，定義載流子掃過 x＝0.99W 的距離的時(shí)間為載流子收集時(shí)間：,,4.3.5中子輻照損傷,中子輻照損傷的機(jī)理：當(dāng)一定能量的中子射入HPGe探測器靈敏體積時(shí)會(huì)引起晶格的缺陷，錯(cuò)位等，從而影響到探測器的能量分辨率。,閾注量：能量分辨率開始出現(xiàn)變化時(shí)所對應(yīng)的中子注量。閾注量與探測器的尺寸有關(guān)，

14、尺寸越大，閾注量約低。閾注量還與探測器的類型有關(guān)，下表給出了幾種探測器的閾注量,第五節(jié)：其他探測器,1.鋰漂移硅探測器2.化合物半導(dǎo)體探測器3.位置靈敏探測器,,5.1鋰漂移硅探測器,5.1.1 鋰的漂移特性及P-I-N結(jié),1) 間隙型雜質(zhì)——Li,Li電離能很小 ～0.033eV，常溫下由于熱運(yùn)動(dòng)即可電離，Li電離成Li＋，為施主雜質(zhì)，在Li端形成N區(qū)，之后Li＋在電場作用下的漂移，其過程如下：,Li＋在電場作用下的漂移,Li＋的

15、半徑比Si和Ge半導(dǎo)體晶格間距小得多,在電場作用下，Li＋可以很容易穿過Si和Ge半導(dǎo)體晶格，漂移深入半導(dǎo)體內(nèi)部,Li＋會(huì)和半導(dǎo)體材料中的B-中和,Li＋ 的補(bǔ)償作用，提高了電阻率，增大了結(jié)區(qū),,,,2) P-I-N結(jié)的形成,基體用P型半導(dǎo)體(因?yàn)闃O高純度的材料多是P型的)，例如摻硼的Si或Ge單晶。,(1) 一端表面蒸Li，Li離子化為Li+,形成PN結(jié)。,(2) 另一端表面蒸金屬，引出電極。,外加電場，使Li+漂移。Li+與受主雜質(zhì)

16、(如B-)中和，并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償形成 I 區(qū)。,(3) 形成P-I-N結(jié)，未漂移補(bǔ)償區(qū)仍為P，引出電極。,由硅作為基體的探測器稱為Si(Li)探測器，由鍺作為基體的探測器稱為Ge(Li)探測器。鋰離子是用于漂移成探測器的唯一的離子。,5.1.2 鋰漂移探測器的工作原理,1) 空間電荷分布、電場分布及電位分布,I區(qū)為完全補(bǔ)償區(qū)，呈電中性為均勻電場；,I區(qū)為耗盡層，電阻率可達(dá)1010?cm；,I區(qū)厚度可達(dá)10～20mm，為靈敏體積。,

17、雜質(zhì)濃度,電荷分布,電位,電場,平面型的靈敏區(qū)電場均勻分布,同軸型的電場非均勻分布,靈敏區(qū)的電場,平面型：,靈敏區(qū)的電容,同軸型：,式中l(wèi)為靈敏區(qū)的長度,輸出脈沖,輸出脈沖類似于電離室,平面型：,同軸型：,前面討論的半導(dǎo)體能量分辨率也適用于Si（Li）探測器，這里僅強(qiáng)調(diào)兩點(diǎn)：,5.1.3能量分辨率,（1）Si（Li）探測器常用于測量低能和x射線能譜。影響Si（Li）探測器的能量分辨率的因素主要有窗厚，死層，因此應(yīng)盡量減小窗的影響。,（2

18、）Si（Li）探測器的靈敏區(qū)相當(dāng)后（5-10mm），常溫下暗電流的漲落將不容忽視，因此必須在液氮溫度（77K）下工作。,5.2化合物半導(dǎo)體探測器,why化合物半導(dǎo)體探測器？,為了解決傳統(tǒng)硅探測器對低能?射線和X射線探測效率低，鍺探測器需工作在液氮溫度下等問題而開發(fā)的一些化合物半導(dǎo)體探測器。,目前主要有這三類化合物探測器：碲化鎘 (CdTe) 碲鋅鎘 (CdZnTe) 碘化汞 (HgI2),CdTe,

19、 CdZnTe, HgI2 的特性參數(shù),這三類探測器的優(yōu)勢,市場上已在銷售這三種材料制成的探測器，譜儀， 成像系統(tǒng)。,85%的100keV光子被完全吸收：1mm厚的HgI2,2.6mm厚的CdTe,10mm厚的Ge,高探測效率(高Z，高密度）， CdTe 的光電幾率是Ge 4～5倍, HgI2 為 50倍室溫操作（高帶寬）高電阻率小的探測器體積,43/89,5.2.1碲化鎘 (CdTe),2）性能：與硅(ZSi=14

20、)和鍺(ZGe=32)相比，CdTe的原子序數(shù)(ZCd=48,ZTe=52)大，密度高(ρ=5．83g／cm3)，所以它對x射線、γ射線的阻止能力高，吸收能力強(qiáng)，本征探測效率就高，能量分辨率相對也較好。,1）原理：與其它半導(dǎo)體探測器的探測原理一樣，CdTe探測器也是依靠加在探測器兩端的電壓(偏壓)將入射光子與CdTe發(fā)生相互作用產(chǎn)生的電子一空穴對進(jìn)行收集而產(chǎn)生電離電流I(t)信號，將這個(gè)電離電流信號通過電荷靈敏前置放大器轉(zhuǎn)換成電壓信號。

21、,3）應(yīng)用：應(yīng)用于核工業(yè)中的厚度計(jì)，用探測器整列構(gòu)成醫(yī)用成像系統(tǒng)等,16 x 16 pixels CdTe Crystal. 1mm pixel pitch. For use in CT.,3）應(yīng)用：應(yīng)用于核工業(yè)中的厚度計(jì)，用探測器整列構(gòu)成醫(yī)用成像系統(tǒng)，核探針等,4 x (4 x 16 pixel) CdTe crystals assembled to pcb for use in bone densiometry system.,5.

22、2.2碘化汞 (HgI2),62 , 密度6. 40 g /cm3 ), 對X 和γ射線具有較高的阻止本領(lǐng), 同時(shí)由于禁帶寬度(Eg =2. 13 eV)較大, 電阻率高, 工作時(shí)漏電流較小, 用它可以制備體積小, 重量輕, 室溫下使用的γ射線和X 射線探測。,1）原理：HgI2 探測器的工作原理與其他半導(dǎo)體探測器相似。,2）性能：HgI2是直接躍遷寬帶隙的Ⅱ-Ⅶ 族化合物半導(dǎo)體, 是優(yōu)異的光電導(dǎo)材料。由于它具有較大的平均原子序

23、數(shù)(有效原子序數(shù),2）性能：,V-I曲線:右圖為晶面面積S=12 mm2，厚度L = 0.5mm的HgI2 探測器在T=295 K 時(shí)的V-I曲線。由圖可知HgI2 探測器的漏電流在常溫下較小,能譜特性：從圖中看出(a)圖譜線分辨率明顯比(b)圖好, 這是因?yàn)镠gI2中電子和空穴的遷移率μe 、μh分別為100cm2/V?S，4cm2/V?S他們被電極收集的效率不同，空穴的收集率低一些，因此選著負(fù)極作為入射面，這樣可以減小半高寬，提高分

24、辨率,HgI2探測器測得的Cd(109)譜(a)射線從負(fù)接觸面人射(b)射線從正接觸面人射,3）應(yīng)用：HgI2主要用于室溫下使用的γ射線和X 射線探測，也可以用于測量高能帶電粒子。,HgI2晶體,5.3位置靈敏探測器,什么是位置靈敏探測器？,能夠同時(shí)探測入射粒子能量與位置的半導(dǎo)體探測器（由于射線在半導(dǎo)體中的電離密度要比空氣中高出約三個(gè)數(shù)量級，因此通常采用半導(dǎo)體材料做成位置靈敏探測器）,5.3.1位置靈敏探測器基本原理,（a）半導(dǎo)體

25、位置靈敏探測器示意圖,圖（a）為一簡單的位置靈敏探測器示意圖，入射粒子進(jìn)入入射面后將探測器分成兩部分，（1）入射粒子到A端；（2）入射粒子到B端；由B端引出的信號將反應(yīng)出粒子位置的信息,5.3.1位置靈敏探測器基本原理,B端引出的電流為：,D端引出的電壓為：,又電阻與導(dǎo)線長度成正比：,所以D端的幅度為：,5.3.2硅微條二維位置靈敏探測器,組成結(jié)構(gòu)：利用離子注入或是光刻技術(shù)在硅片表面形成一系列彼此平行的窄帶電極，上下兩面電極相互平

26、行。,X，Y方面的位置信號各通過一組彼此獨(dú)立的外接電阻網(wǎng)絡(luò)和兩端的電荷靈敏放大器引出。兩個(gè)電荷靈敏放大器的信號只差給出位置信息，信號幅度之和給出位置信息。其分辨率由點(diǎn)擊帶寬度決定,5.3.3半導(dǎo)體存儲(chǔ)探測器——硅漂移室,1）硅漂移室的原理：入射粒子在靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生的電子空穴對并不立即漂移并在兩極形成電流，而是先將電荷收集存儲(chǔ)起來，并使之沿著與硅片平面大致平行的方向進(jìn)行漂移，由載流子的漂移時(shí)間給出相關(guān)信息。,5.3.3半導(dǎo)體存儲(chǔ)探測器——

27、硅漂移室,2）硅漂移室結(jié)構(gòu)：在n型的硅片的兩個(gè)表面, 注入雜質(zhì)形成重?cái)v雜p+條, 由此形成兩個(gè)耗盡層夾著一個(gè)未耗盡的區(qū)域。在邊緣形成一個(gè)n+微條與中間未耗盡區(qū)相連, 當(dāng)外加一定的負(fù)偏壓后,使整個(gè)硅片實(shí)現(xiàn)全耗盡。3）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(gè)表面的部位最高。,4）信號的收集：當(dāng)帶電粒子穿過探測器時(shí)產(chǎn)生電子空穴對, 電子就會(huì)落入低電位的谷中, 然后沿著電場的x 方向分量向微條n+漂移,形成電

28、信號。,5.3.3半導(dǎo)體存儲(chǔ)探測器——硅漂移室,通過測量電子的漂移時(shí)間及被分割開的n+，讀出微條上的坐標(biāo)就得到了入射粒子的兩維位置信息。另外, 電子在耗盡區(qū)漂移很長距離才到達(dá)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。,5）性能：普通的半導(dǎo)體探測器的計(jì)數(shù)率一般在幾十kHz 以下, 硅漂移室由于其電容小, 相應(yīng)的脈沖成形時(shí)間也很短(大約為100n s) , 硅漂移室的漂移時(shí)間雖然比較長, 但它的計(jì)數(shù)率并