关于半导体探测器介绍

[拼音]：bandaoti tanceqi

[外文]：semiconductor detectors

用半导体材料制成的将射线能量转换成电信号的射线探测器。它实质上是在一块半导体材料上设置一个阴极（高掺杂的P+层）和一个阳极（高掺杂的N+层）构成的较大体积的晶体二极管（约0.01～200cm3）。入射粒子进入半导体探测器后，产生空穴-电子对。这些空穴-电子对被探测器两电极间电场分开，并分别被阴极和阳极收集，产生同射线沉积的能量成正比的输出脉冲信号。在半导体（掺杂的硅和锗）中产生一个空穴－电子对所需的能量约为3eV，因此半导体探测器比闪烁计数器和气体电离探测器的能量分辨率好得多。这是半导体探测器得到蓬勃发展的主要原因。

自1949年K.G.麦凯首次用α 射线照射PN结二极管观察到输出信号以来，通过不断改进，陆续有NP结型探测器、金硅面垒型探测器、锂漂移型探测器、同轴型高纯锗(HPGe)探测器和高阻硅探测器等主要用于能量测量和时间测量的探测器投入使用。此外，为了测量射线的空间分布，又发展了位置灵敏探测器。

离子注入技术已成功地应用在硅、高纯锗探测器的制造工艺中。由离子注入产生的结不易受环境气氛影响，电接触稳定可靠、电阻层均匀、入射窗口薄。已用离子注入技术制出了性能良好的硅带电粒子探测器、位置灵敏探测器和高纯锗探测器。

结构如图1所示。在 P型硅材料中注入或扩散N型杂质磷，在NP结交界处存在一个没有自由载流子的高阻耗尽区（又叫空间电荷区或灵敏区）。注硼的电极P+为欧姆接触电极，当在NP结上加反向偏压时，使空间电荷区的电场强度增强。空间电荷区厚度同(ρV)½成正比，其中ρ是电阻率，V 是外加电压。至于扩散结探测器，由于扩散时的高温(800～1000℃)处理会影响探测器性能，探测器死层（不能产生信号的层）又太厚，所以目前除在特殊场合应用外，它已基本被淘汰。

金属和半导体的功函数（见接触电现象）不同，当它们接触时产生接触电位，从而在半导体内存在没有自由载流子的耗尽层（见半导体物理学），它类似于PN结。面垒型探测器由一块 N型材料两边分别蒸上金层和铝层构成，结构如图2所示。

金硅面垒(SiAu)型探测器主要用于测量带电粒子的能量。它具有窗薄、能量分辨率好(对5MeV的α粒子，能量分辨可达13keV)、线性响应好、时间响应快等优点，是一种常用的探测器，用途较广。其缺点是对环境条件敏感。若同ΔE 探测器配合， 则可用于粒子鉴别。它还可以同氟化锂等组成夹心探测器，用于中子测量。

结型探测器或面垒型探测器又可分为全耗尽和部分耗尽两个类型。

锂在硅或锗中有低的电离能和高的迁移率，锂离子半径(0.6┱)又比锗、硅的点阵间距小，故可在点阵的间隙位置中存在和扩散，达到补偿受主杂质（见半导体物理学）的目的。先在P型（硅、 锗）材料上扩散锂，形成NP结。在适当温度和反向电压下，使锂离子沿电场方向漂移，锂离子运动到受主离子附近，形成离子偶，经过长时间漂移补偿成一个对硅为几毫米、对锗为1.5～2.0cm的高阻补偿区I（又称本征区）。

（1）Si(Li)探测器一般有如图3所列平面型、顶帽型和槽沟型三种结构。由于槽沟型具有良好的耐击穿电压特性，是目前主要采用的结构。在室温下，它主要用来测量质子和β射线;在77K下可用来测1～30keV的X 射线，对55Fe的5.9keV的X射线可得到130eV的分辨率；可分开原子序数大于硼的元素。由 Si(Li)半导体探测器组成的X 射线荧光分析仪，已广泛应用于工业、农业、医学、考古、矿产、环境和空间等各个科学领域。

（2）Ge(Li)探测器如图4所示，在结构上可分为平面型和同轴型，同轴型中又分为双开端型和单开端型。采用同轴圆柱形结构可使探测器做成大的体积。目前同轴型Ge（Li）探测器的体积可达200cm3;单开端型探测器的有效体积大，常用于能谱测量;双开端型探测器时间性能好，常用于时间谱测量。Ge(Li)探测器测量γ射线能区在60keV到10MeV，在 77K对60Co 1.332MeV的γ射线的能量分辨优于2keV。这种探测器要在液氮中保存和使用。

自Ge(Li)探测器问世后，已在核能谱领域大大改进了原有的应用γ谱学，并获得不少新的实验数据。

是典型的NP结型探测器，工作在全耗尽区，要求施以足够高的耗尽电压，才能对空穴-电子对有完全的收集，得到高的能量分辨率。其结构也分为平面型和同轴型两种。

（1）平面型高纯锗探测器是在高纯锗单晶的两边分别用锂扩散得N+层，用离子注入硼或蒸钯(金)得P+层而构成。可测量5到几百千电子伏能区的γ和X射线，也适用于测量高能带电粒子。

（2）同轴型高纯锗探测器分成单开端型和双开端型。在圆柱形材料中央开孔(直径6～8mm)，若用P型高纯锗单晶，则将锂扩散在外侧面得N+，硼或钯表面势垒制在中心壁上（如图5a）;而N型则是将锂扩散在中心壁上得N+层，将硼离子注入在外表面得P+（如图5b），因此能得到很薄的入射窗，可用于5keV到10MeV能区的 γ射线能量测量。目前好的同轴型高纯锗探测器，灵敏体积可达150cm3左右，在77K下对60Co 1.332MeV 的γ射线能量分辨达1.77keV。高纯锗探测器可以在室温下保存，耐中子辐照损伤性好，有取代Ge(Li)探测器的趋向。

大致可分为二类：

（1）分立型，在硅片的一面纵向蒸上若干条间隔很密的金层带；另一面同其垂直地蒸上若干条铝层带。这种探测器的位置分辨率由探测单元的宽度决定(0.2～2mm)，它有较好的能量和时间分辨特性，缺点是所用电子学仪器较复杂。

（2）连续型，它是应用电荷分配原理给出位置信息。其结构如图6所示。在N型硅片表面蒸金层做势垒，后背面蒸一层电阻层或离子注入磷，使其电阻层总电阻值R约为10～20kΩ。这种探测器可做成长50mm，宽8mm，厚100～1000µm，其能量分辨约达35keV，位置分辨0.2～0.5mm。

它也是NP结型探测器，工作在全耗尽状态。用高阻P型硅单晶(电阻率40～80kΩ·cm)，在它的两边蒸上无定形锗，然后在它的一面蒸铝层，在另一面蒸金层，或在硅的一面先蒸无定形锗后蒸铝层，在另一面蒸金层，如图7所示。已做成的P型高阻硅探测器，用来测量207Bi(1063.4keV)的K电子谱，在77K，能量分辨为 1.9keV；用中子掺杂得到的20kΩ·cm的N型硅，做成 0.8mm厚的探测器，对207Am在5.48MeV的α 射线，在室温能量分辨为15keV；做成3mm厚，150mm2面积的探测器，对207Bi(975kev)的K电子谱，在室温，能量分辨为15keV，在77K能量分辨达1.9keV，已接近普通Si(Au)探测器及Si(Li)探测器水平。