第五章半导体探测器 §5-1半导体的基本知识和探测器 的工作原理 §5-2能量测量半导体探测器 §53半导体探测器的主要参量 §5-4位置测量半导体探测器 §55半导体探测器的应用
第五章 半导体探测器 §5-1 半导体的基本知识和探测器 的工作原理 §5-2 能量测量半导体探测器 §5-3 半导体探测器的主要参量 §5-4 位置测量半导体探测器 §5-5 半导体探测器的应用
Semiconductor Detector 优点: 1)很高的能量分辨率,比气体探测器大约高一个数量级,比闪烁计 数器高的更多。因为在半导体中电离产生一对电子一空穴对只需要3eV 左右的能量;带电粒子在半导体中的能量损失很多,在硅晶体中大约 为39MeV/cm,所以能量相同的带电粒子在半导体中产生的电子一空 穴对数比在气体中产生的离子对数高一个数量级以上。这样电离对数 的统计误差比在气体中小很多。 2)很宽的能量响应线性范围 3)很快的响应时间,ns量级,高计数率>103/cm2s )体积小 5)很好的位置分辨率,好于1.4μm。 ·缺点:对辐射损伤灵敏
Semiconductor Detector • 优点： 1）很高的能量分辨率，比气体探测器大约高一个数量级，比闪烁计 数器高的更多。因为在半导体中电离产生一对电子－空穴对只需要3eV 左右的能量；带电粒子在半导体中的能量损失很多，在硅晶体中大约 为3.9MeV/ cm，所以能量相同的带电粒子在半导体中产生的电子－空 穴对数比在气体中产生的离子对数高一个数量级以上。这样电离对数 的统计误差比在气体中小很多。 2）很宽的能量响应线性范围 3）很快的响应时间，ns量级，高计数率>108 /cm2·s 4）体积小 5）很好的位置分辨率，好于1.4 m。 • 缺点：对辐射损伤灵敏
§5-1半导体的基本知识和 探测器的工作原理 半导体的基本知识 1.固体的导电性: 物体导电是物体内电子在外电场作用下定向运动的结果。 2.导体、半导体、绝缘体的能带 由于电场力对电子的作用,使电子的运动速度和能量发生变化。从 能带论来看,电子能量变化就是电子从一个能级跃迁到另一个能级 上 满带:被电子占满的能级,一般外电场作用时,其电子不形成电流 对导电没有贡献,亦称价带。 导带:被电子部分占满的高能态能级,在外电场作用下,电子从外 电场吸收能量跃迁到未被电子占据的能级上去,形成电流,起导电 作用
§5-1 半导体的基本知识和 探测器的工作原理 一、半导体的基本知识 1. 固体的导电性： 物体导电是物体内电子在外电场作用下定向运动的结果。 2. 导体、半导体、绝缘体的能带 由于电场力对电子的作用，使电子的运动速度和能量发生变化。 从 能带论来看，电子能量变化就是电子从一个能级跃迁到另一个能级 上。 • 满带：被电子占满的能级，一般外电场作用时，其电子不形成电流， 对导电没有贡献，亦称价带。 • 导带：被电子部分占满的高能态能级，在外电场作用下，电子从外 电场吸收能量跃迁到未被电子占据的能级上去，形成电流，起导电 作用
禁带:满带和导带之间的禁区称为禁带,其宽度也称为能 隙,记做Eg。 导体、半导体和绝缘体之间的差别在于禁带宽度不同 导体不存在禁带,满带和导电交织在一起;1010g2cm 由于能带取决于原子间距,所以巸g与温度和压力有关。一般禁带宽度 大的材料,耐高温性能和耐辐照性能好。 电子 空穴 导带 E。>2eV 导带 禁带 ENI 禁带 导带 满带 满带 满带 绝缘体 半导体 导体 绝缘体、半导体和导体的能带图
5 2 9 10 10 10 10 10 cm cm cm − − • 禁带：满带和导带之间的禁区称为禁带，其宽度也称为能 隙，记做Eg。 • 导体、半导体和绝缘体之间的差别在于禁带宽度不同： 导体不存在禁带，满带和导电交织在一起； 半导体禁带较窄，Eg=0.1-2.2eV 绝缘体禁带较宽，Eg=2-10eV 由于能带取决于原子间距，所以Eg与温度和压力有关。一般禁带宽度 大的材料，耐高温性能和耐辐照性能好
几种半导体材料的性能参数 材料 S e CdTe Cdznte hgl CdSe GaAs 原子序数(Z) 48、5248、30、80、5348、3431、33 密度(gcm 2.33 5.32 6.06 59~59564 5.74 5.36 介电常数E 117 15.7 4.46 8.8 12.5 禁带宽度Eg(eV 1.12/1.160670.74147 14~2262.13 1.70 1.43 平均电离能WeV) 362/3.76280/296446 4.3 4.35 工作温度(K) 300/7 30077300 300 300 300 漂移迁移率电子 1450 3900 l100 l100 100 650 8600 Icm/(Vs) 空穴 1900 100 50 4 65 1000 少数载流子寿命τ(pus) 103 10 1.1×10-22 103 0.1 电阻率(9cm) 109 10 1013 1012 107 俘获长度(mm) 10 能量|5Fe,X5.9KeV0.136 1.5 0.295 分辨率 FWHM 24Am,y 59.5KeV040 0.3 1.5 1.2 5.9 2.6 (Kev) 57.Coy 122KeV 0.4 4.5 3.9 2.0 137Cs, y 662KeV 0.9 0.9 8 10 4.5 24Ama548Mev13.5 64.8
材料 Si Ge CdTe CdZnTe HgI2 CdSe GaAs 原子序数（Z） 14 32 48、52 48、30、 52 80、53 48、34 31、33 密度（g/cm3） 2.33 5.32 6.06 5.9～5.95 6.4 5.74 5.36 介电常数 11.7 15.7 4.46 8.8 12.5 禁带宽度Eg(eV) 1.12/1.16 0.67/0.74 1.47 1.4～2.26 2.13 1.70 1.43 平均电离能W(eV) 3.62/3.76 2.80/2.96 4.46 4.3 4.35 工作温度（K） 300/77 300/77 300 300 300 300 300 漂移迁移率 [cm2 /(V.s)] 电子 1450 3900 1100 1100 100 650 8600 空穴 450 1900 100 50 4 65 1000 少数载流子寿命τ (s) 103 103 6 1.1×10-2 25 10-3 0.1 电阻率(Ω·cm) 104 102 109 1011 1013 1012 107 俘获长度(mm) 103 103 1 1 1 能量 分辨率 FWHM (KeV) 55Fe, X 5.9KeV 0.136 1.1 1.5 0.295 241Am, 59.5KeV 0.40 0.3 1.5 3 1.2 5.9 2.6 57.Co, 122KeV 0.55 0.4 4.5 3.9 2.0 137Cs, 662KeV 0.9 0.9 8 10 4.5 241Am,5.48MeV 13.5 64.8 几种半导体材料的性能参数
3本征半导体 理想的不含杂质的半导体称为本征半导体,导带上的电子数目严格 等于满带上的空穴数目,n=p 一般情况下,半导体的满带完全被电子占满,导带中没有电子。在热 力学温度为零时,即使有外电场作用,它们并不导电。但是当温度升 高或有光照时,半导体满带中少量电子会获得能量而被激发到导带上, 这些电子在外电场作用下将参与导电。同时满带中留下的空穴也参与 导电。 N型(电子型)半导体:导带内电子运动,参与导电 P型(空穴型)半导体:满带内空穴运动,参与导电。 载流子:是电子和空穴的统称。温度高,禁带宽度小,产生的載流 子数目就多;产生得越多,电子与空穴复合的几率也越大。在一定温 度下,产生率和复合率达到相对平衡,半导体中保持一定数目的载流 子
3.本征半导体 • 理想的不含杂质的半导体称为本征半导体，导带上的电子数目严格 等于满带上的空穴数目，n=p 。 • 一般情况下，半导体的满带完全被电子占满，导带中没有电子。在热 力学温度为零时，即使有外电场作用，它们并不导电。但是当温度升 高或有光照时，半导体满带中少量电子会获得能量而被激发到导带上， 这些电子在外电场作用下将参与导电。同时满带中留下的空穴也参与 导电。 • N型（电子型）半导体：导带内电子运动，参与导电。 • P型（空穴型）半导体：满带内空穴运动，参与导电。 • 载流子：是电子和空穴的统称。温度高，禁带宽度小，产生的载流 子数目就多；产生得越多，电子与空穴复合的几率也越大。在一定温 度下，产生率和复合率达到相对平衡，半导体中保持一定数目的载流 子
載流子浓度:固体物理可以证明本征半导体内的载流 子平衡浓度 H=n·p=U3 E禁带宽度(c exD kT 绝对温度(K) 每立方厘米体积中电子与空穴的浓度比例系数 玻尔兹曼常数 不含杂质的理想本征半导体的载流子浓度 硅Si 1.21 =1.5×103Texp kT 锗Gen2=3.1×1032r3expl 0.785 kT 在室温下,t=300K,本征半导体载流子浓度 硅Sin=p=1.5×100/cm3 锗 Ge n=p=24×10/cm
2 3 exp i Eg n n p UT kT = = − 每立方厘米体积中电子与空穴的浓度 禁带宽度(eV) 绝对温度(K) 比例系数 玻尔兹曼常数 2 33 3 2 32 3 10 3 13 3 1.21 1.5 10 exp 0.785 3.1 10 exp 300 1.5 10 / 2.4 10 / i i Si n T kT Ge n T kT t K Si n p cm Ge n p cm = − = − = = = = = 不含杂质的理想本征半导体的载流子浓度 硅 锗 在室温下， ，本征半导体载流子浓度 硅 锗 • 载流子浓度：固体物理可以证明本征半导体内的载流 子平衡浓度
Silicon Detector Some characteristics of silicon crystals conductance band Small band gap Eg=1.12 eV In a pure intrinsic (undoped )material the →W(e- h pair)=36eV electron density n and High specific density 2. 33 g/cm3 hole density p are valence equal n=p=n dEldx (M.I. P )=3.9 Mevcm ≈102e-h/pm( average) For silicon n a 145 1010 cm High carrier mobility He =1450cm/Vs In this volume Fh=450 cm2/Vs we have 4.5-10 free charge carriers, but only 3.2. e-h fast charge collection(<10 ns) pairs produced by a MP Very pure 1 ppm impurities Rigidity of silicon allows thin self Most detectors make use of supporting structures reverse biased p-n junctions Detector production by microelectronic techniques
Silicon Detector Some characteristics of Silicon crystals • Small band gap Eg = 1.12 eV ⇒ W(e-h pair) = 3.6 eV • High specific density 2.33 g/cm3 dE/dx (M.I.P.) ≈ 3.9 MeV/cm ≈ 102 e-h/µm (average) • High carrier mobility µe =1450cm2 / V.s, µh = 450 cm2 / V.s ⇒ fast charge collection (<10 ns) • Very pure < 1ppm impurities • Rigidity of silicon allows thin self supporting structures • Detector production by microelectronic techniques
Doping 掺杂:在本征半导体内掺入杂质, 来改变半导体材料的性能。 CB 把电子贡献给导带的杂质称为施主杂质,杂质能级叫施 主能级,位于导带底部。常用的五价元素有:P(磷)、 (砷)、Sb(锑)、Li(锂)等。五价元素原子的第5个价 电子都激发到导带中参与导电,五价元素原子成为正离 子,是不能移动的正电中心。这种半导体的导电主要是 电子贡献,称作电子型或N型半导体。 n-type: Add elements from Van group, donors, e.g.As Electrons are the majority carriers 能接受满带中电子而产生导电空穴的杂质称为受主杂质, 常用的三价元素有:B(硼)、A(铝、Ga(镓)、In(铟)。 CB 三价元素原子有从附近吸收一个电子的趋势,在满带上 面形成一个新的局部能级,叫受主能级。满带中的电子 很容易跳入该能级。在室温下三价元素原子几乎都形成 负离子,是不能移动的负电中心,而在满带中产生空穴。 VB 这种半导体的导电主要是空穴的贡献,称作空穴型或 P型半导体。 p-type: Add elements from lllr group, acceptors, e.g. B Holes are the majority carriers
把电子贡献给导带的杂质称为施主杂质，杂质能级叫施 主能级，位于导带底部。常用的五价元素有：P(磷)、 As(砷)、 Sb(锑)、Li(锂）等。五价元素原子的第5个价 电子都激发到导带中参与导电，五价元素原子成为正离 子，是不能移动的正电中心。这种半导体的导电主要是 电子贡献，称作电子型或N型半导体。 能接受满带中电子而产生导电空穴的杂质称为受主杂质， 常用的三价元素有：B(硼)、Al(铝)、Ga(镓)、In(铟)。 三价元素原子有从附近吸收一个电子的趋势，在满带上 面形成一个新的局部能级，叫受主能级。满带中的电子 很容易跳入该能级。在室温下三价元素原子几乎都形成 负离子，是不能移动的负电中心，而在满带中产生空穴。 这种半导体的导电主要是空穴的贡献，称作空穴型或 P型半导体。 掺杂：在本征半导体内掺入杂质， 来改变半导体材料的性能
N型半导体的本征空穴和P型半导体的本征电子也参与导 电,称为少数载流子。 对于掺杂半导体,除了本征激发产生的电子空穴对以外, 还有施主杂质提供的电子和受主杂质提供的空穴,所以电 子和空穴的浓度不相等。 在N型半导体中,n=n,P 在P型半导体中,p=pg,n 结构缺陷 点缺陷:晶格上出现空位或应该空位处出现了原子。 线缺陷:晶体受应力作用发生错位(沿平面滑移)。 晶格缺陷也能俘获或放出电子,相当于在晶体禁带中附加 受主或施主能级,也起受主或施主作用
2 2 N i i n n n p n n p p n p = = = = 施 施 受 受 在 型半导体中， ， 在P型半导体中， ， 结构缺陷 点缺陷：晶格上出现空位或应该空位处出现了原子。 线缺陷：晶体受应力作用发生错位（沿平面滑移）。 晶格缺陷也能俘获或放出电子，相当于在晶体禁带中附加 受主或施主能级，也起受主或施主作用。 • N型半导体的本征空穴和P型半导体的本征电子也参与导 电，称为少数载流子。 • 对于掺杂半导体，除了本征激发产生的电子空穴对以外， 还有施主杂质提供的电子和受主杂质提供的空穴，所以电 子和空穴的浓度不相等