PN结型半导体探测器

在P型半导体中空穴浓度较高，在N型半导体中电子浓度较高。两者结合在一起时，载流子将由高浓度区向低浓度区扩散，结果在两者附近形成一个结区，如图4-3-1所示。在结区基本上不存在自由载流子，只有施主和受主的离子，形成一个空间电荷区，N型一侧带正电，P型一侧带负电，构成一个内部电场，电场将阻止载流子继续扩散。如果在空间电荷区产生电离形成自由载流子，将立即把电子拉向N区，空穴拉向P区。不可能存在自由载流子，所以PN结区称为“耗尽层”。

当给PN外加电压，反向偏置时，即电源正端接N区，负极接P区，使空间电荷电场增强。

电子和空穴分别向正端和负端扩散，结果使“耗尽层”的宽度增大。

耗尽层即为探测器的灵敏区。在电压反向偏置下，耗尽层电阻率极高，相当于外加电压全加在耗尽层端；而P区和N区，自由载流子浓度很高，电阻率很低，相当于两个电极。

探测的射线进入灵敏区(耗尽层)，产生电离，生成大量电子-空穴对。在电场作用下，电子和空穴分别迅速向正、负两极漂移、被收集，在输出电路中形成脉冲电信号。

金硅面垒半导体探测器就是以N型硅单晶作基片。将基片经酸处理后形成一氧化层，并在氧化层上镀一层金膜(约10nm厚)。在靠金膜的氧化层具有P型硅特性，在基片背面镀镍接电源正极，金膜与铜外壳接触接电源负极，氧化层构成PN结耗尽层为金硅面垒探测器的灵敏区。目前金硅面垒探测器灵敏区厚度最大可做到2mm。一般做成圆片状。

金硅面垒探测器，由于耗尽层厚度较薄，主要用于探测带电重粒子(如α、p等)，亦可用作能谱测量，探测效率近于100%。也可用于β射线测量，对γ射线不灵敏。

几种常用金硅面垒探测器特性列于表4-3-1。

图4-3-1 PN结形成及其特性

a—PN结形成过程示意图；b—PN结特性示意图

(a)耗尽层(阴影区)；(b)受主、施主、电子、空穴分布；(c)电子和空穴浓度；(d)施主和受主浓度；(e)净电荷分布；(f)静电电位分布；(g)外加反向偏压时受主、施主、电子和空穴的分布

表4-3-1 几种金硅面垒探测器主要特性

PN结金硅面垒型半导体探测器，2 mm厚度灵敏区仅相当于1.1MeV β射线的射程。为了探测高能射线而采用锂漂移技术，在P型和N型半导体材料之间形成一个本征半导体区，可获得厚度大于10 mm的灵敏区。称为PIN结锂漂移型半导体探测器。

如图4-3-2所示，在P区电子是少数载流子，空穴浓度比电子多很多；在N区空穴是少数载流子，电子浓度比空穴浓度多得多。在I区，电子和空穴浓度相等，P、I和N型三者连接后，电子和空穴扩散结果，在P、N和I区的界面附近分别形成正、负空间电荷区（见图4-3-2）。形成I区内电场Ei。

在PIN结两端加上反向电压，内电场Ei将得到增强。与PN结类似，I区即为探测射线产生电离的灵敏区，厚度较大，可以探测高能射线。

图4-3-2 PIN结探测器示意图

锂在硅和锗中的电离能很低（在硅中为0.033 eV，在锗中为0.093 eV），很容易电离而且离子半径仅有0.06 nm。在P型硅或锗表面镀一层锂，而锂很快穿过硅或锗的晶格，处于晶格之间成为施主杂质。在PIN结所加反向电压作用下，锂电离成锂离子与受主结合成中性分子，使I区内电子和空穴大大减少，起到“补偿”作用，形成电阻率很高的本征区。

硅和锗加上锂作为漂移材料制成锗锂漂移探测器——Ge（Li）；或硅锂漂移探测器——Si（Li）。锗锂漂移探测器有两种：即平面型和同轴型。目前平面型为圆片状只能获得15～20 mm厚的本征区。同轴型为圆柱状，中心小圆柱为P区，外层为N区，中间为I区（本征区）。目前Ge（Li）灵敏区可达150 cm3左右，体积较大。Ge（Li）探测器主要用于γ能谱测量，能量分辨率很好。必须在低温下（液氮-196℃）工作和保存。

Si（Li）探测器，主要用于X射线能谱测量，在1～100 keV范围有很高的能量分辨率；也可用于β射线测量。必须液氮温度下工作，可以在室温下保存。