半导体探测器篇(4)_半导体探测器种类

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5   半导体探测器从制作方法上可以分为PN结型探测器、锂漂移型探测器、全耗尽型探测器;按材料分类有高纯探测器和化合物半导体探测器。目前使用的半导体探测器大多是PN结型的。

一,PN结型半导体探测器

PN结探测器的灵敏区就是反向偏压的PN结,它具有良好的能量线性、高的能量分辨率和时间分辨率等优点,在α及其它重带电粒子能谱测量方面具有重要应用。PN结探测器可以分为扩散型、面垒型和离子注入型等,这几种探测器基本原理一致,制作方法和工艺不同。

1,  扩散型

扩散型探测器是把一种类型的杂质扩散到浓度较低的另一类型半导体内形成的。一般是把五价的磷在高温下(800~1000°)扩散到P型硅中,形成一薄层N型半导体,此N型薄层与原来的P型硅的交界处形成PN结。

2,  面垒型

面垒型的制造比扩散型简单的多,不需要高温处理。以金硅面垒探测器为例,先把N型硅切割成所需大小,研磨后在一个面上做欧姆接触的后电极,然后将后电极保护起来进行腐蚀、清洗和干燥,之后再用不同方法氧化。最后进行封装,在灵敏面上真空镀金。金的厚度只有几百个原子层后,金掺入后硅变成P型硅,与N型硅构成灵敏层,这样就制成了金硅面垒半导体探测器。工作时以涂层金作为阴极,以N型硅作为阳极。

3,  离子注入型

离子注入型探测器利用离子注入掺杂法形成PN结。加速器产生具有一定能量的正离子束直接穿透半导体表面形成PN结。

二,锂漂移型半导体探测器

PN结型探测器的厚度一般不超过1~1.5mm,因此对探测能量较高的射线比较困难。锂漂移探测器具有灵敏区厚度大的优点,适用于高能量射线探测。其制造过程是把锂从P型半导体(硅或锗)的一面扩散进去,形成一个补偿区。在补偿区内受主杂质和施主杂质达到精确的平衡,其厚度可达5~10mm。加上非注入电极后,这个区域就是探测器的灵敏区域,这样的探测器分别称为硅锂探测器(Si(Li))和锗锂探测器(Ge(Li))。Si(Li)探测器可在室温下工作,而Ge(Li)必须在液氮温度下工作,因此Si(Li)探测器在核物理实验中得到了广泛的应用,而Ge(Li)探测器因使用不方便已被高纯锗探测器取代。

三,全耗尽型半导体探测器

全耗尽型半导体探测器是指无死层的上述半导体探测器。死层对带电粒子不灵敏,产生的电子空穴对输出信号没有贡献,给能量测量带来误差,而且使得时间性能变坏。全耗尽探测器是一种特殊的PN结型探测器,通过特殊工艺使得死层厚度降到最低限度。目前许多半导体探测器都是做成全耗尽型的。

四,高纯锗半导体探测器

高纯锗半导体探测器(HPGe)是20世纪70年代以后发展起来的新型探测器。其大多采用P型材料,制造工艺类似于PN结型探测器。HPGe不要要在低温下保存,性能可靠稳定,只是在工作时,为了降低反向电流,要低温冷却。

五,化合物半导体探测器

1,  CdTe和CdZnTe探测器

碲化镉(CdTe)探测器优点在于有较大的平均原子序数,对γ射线有很高的阻止本领,探测效率高,材料制备技术比较成熟。其主要缺点是载流子寿命还不够大,俘获长度较小,造成电荷收集不完全,热激发产生的漏电流较大,使得其应用受到了一定限制。

碲锌镉(CdZnTe)晶体是一种性能优良的新型三元化合物半导体材料。它的电阻率高、原子序数大。在室温下对X射线、γ射线能量分辨率好,能在室温至110°范围工作,能量探测范围为10KeV~6MeV。CdZnTe探测器的主体由半导体晶块和两端电极组成,晶块两端外加偏压。入射光子在半导体内通过光电效应和康普顿效应产生电子-空穴对,其自身失去能量,电子空穴对数量和入射光子能量成正比。

CdZnTe探测器集室温、高灵敏度、低噪声、响应光谱宽、脉冲时间短、探测效率高、抗辐照能力强、大规模阵列集成、体积小、稳定性高、可批量生产等优势于一身,具有十分广阔的应用前景。

2,  GaAs探测器

GaAs探测器是最先研制成功的有应用价值的室温半导体探测器,其优点在于材料制备技术和器件制作技术都比较成熟,探测器结构紧凑,便于与现有电子学线路集成。不足之处在于平均原子序数较低、对高能射线阻止本领低,探测效率低。

3,  HgI2探测器

HgI2是20世纪70年代发展起来的一种新型核辐射探测器材料,其突出优点是:室温漏电流极小、平均原子序数高、探测效率高、电离效率高等等。其不足之处在于HgI2晶体化学稳定性差,常温容易挥发,且其活性较强,容易腐蚀电极,并且质地较软,加工困难,这些问题困扰着HgI2晶体探测器的快速发展。

参考文献:

[1]原子核物理实验方法

[2]粒子探测技术及数据获取

[3]核电子学

[4]模拟电子技术基础

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