中子的散射和核反应

中子与物质相互作用决定于中子与原子核之间的核力。中子与电子之间的磁（矩）作用非常小，一般可以忽略。中子与原子核之间的核力主要由中子与核内质子之间以及中子与核内中子之间作用力组成。作用力的强或弱，首先决定于作用距离。一般发生在10-13cm之间，其次是决定于相互之间的自旋取向，其实质类似一种引力。所以，原则上讲任何能量中子与物质作用，形成复合核的可能性都比较大。实际上低能量的（或称低速度）中子（例如10eV）与原子核相碰撞时，具有很大几率被原子核俘获，形成复合核。

中子被原子核俘获后，形成具有复合核的激发能（E核）为

核辐射场与放射性勘查

式中：M为碰撞核的质量；m为中子质量；εn为中子在复核内的结合能；E为碰撞前中子的动能。受激复合核通过发射粒子（带电粒子或中子）或发射γ量子或发生核裂变，跃迁到具有较低能级的基态。

由此可见，无论发生哪种核反应的几率都与能量特征有关。例如，当发射粒子（p，α，n）的结合能（εx）小于复核的激发能（E核）时，原子核才有可能在俘获中子后发生发射粒子的核反应。也就是

核辐射场与放射性勘查

式中：Q为核反应能量；当Q＞0时称放热核反应；当Q＜0时，称吸热核反应。发射带电粒子的（n，p）和（n，α）核反应，可以是吸热反应也可以是放热反应。

对中子来讲，其反应截面一般与1/v成正比（v为慢中子速度）。慢中子碰撞引起发射带电粒子核反应必须是放热反应。反应能量（Q）必须足够大，才能使带电粒子有相当大的核库仑势垒穿透率。势垒高度近似与原子序数Z2/3成正比。这个条件把慢中子引起带电粒子核反应限制在轻元素核范围内。

原子核对中子来讲没有势垒，俘获中子后的复合核，可以发射任何能量的中子，都是几率极大的作用过程。其发射中子的几率与入射中子的速度成正比，也就是与中子能量的平方根（E1/2）成正比。

任何能量中子，都能与任何原子核作用（除氦核，即α粒子）进行辐射俘获（n，γ）反应。根据核能级的级联关系，可以发射一个或几个能量γ量子。由于发射中子核反应的竞争，辐射俘获的几率很小只有较低能量的入射中子，才有利形成辐射俘获。中子能量越低（n，n）反应的几率越小；而（n，n′）和辐射俘获反应的几率占优势［而非d性散射（n，n′）反应也常常伴随γ射线的发射］。

从原理上讲，质量数A＞100的核都可以看成是亚稳态。如果给原子核以足够的能量，这些原子核都能进行裂变。这个能量叫做激活能，激活能大的核裂变几率就小。只有某些具有低激活能的最重的原子核，裂变几率才是最大的。核裂变反应，总是和（n，n）、（n，n′）反应以及辐射俘获（n，γ）同时发生。

（一）散射作用

能量适当的中子和原子核碰撞后，发射的仍然是中子称为散射作用。如果发射的中子能量与入射中子能量相等，叫d性散射。如果发射中子能量有损失，称之为非d性散射。d性散射主要是两种作用的叠加：第一种是中子与（比中子质量大很多的）重原子核作用时，原子核基本上没有反冲，中子基本没有能量损失。称势散射或形态散射，其散射截面用σ形表示。第二种是中子进入原子核后形成复核，使核处于激发态。在放出能量相当于入射中子能量的中子后，又重新回到稳定状态。其入射和发射中子是能量守恒的。构成类似中子散射，其散射截面用σ发表示。总的d性散射截面为：σ总=σ形+σ发。从核反应意义来讲，可写为（n，n）。

根据能量和动量守恒原理，碰撞后反冲核能量为

核辐射场与放射性勘查

式中：EM反冲核动能；En和En′为碰撞前后中子的动能；M为反冲核质量；m为中子质量，φ为核反冲角。由此可见，散射原子核质量越接近中子质量，反冲角越小（即散射角越大）则中子能量损失越大。如中子被质子（氢核）散射，平均一次碰撞损失能量的一半，且散射角近90°时，中子能量几乎全部损失。

当中子能量大于核激发能EL时，一个中子与核碰撞，被核吸收后在极短时间内发射一个能量较低的中子，中子损失的能量使原子核激发。这样的过程叫非d性散射，可写为（n，n′）。

核辐射场与放射性勘查

式中：Eγ为核激发态与基态的能量差。

产生非d性散射的激发态原子核常常是通过发射一定能量的γ射线而释放能量，回到基态。表2-3-2为几种非d性散射核的γ射线数据。中子与12C和16O原子核的非d性散射作用，同时发射的γ射线（表2-3-2），能量差别较大，很容易探测。在石油勘探与开采中，用中子γ能谱测井，根据碳/氧比划分油水分界面，以及煤田勘探中的中子γ测井（参见图5-7-11）就是以此为理论依据。

表2-3-2 部分轻元素中子非d性散射截面与发射的主要γ射线能量

地球物理现场使用的都是快中子源，能量较高，都在2 MeV以上。通过地层物质，与原子核发生d性、非d性散射，而损失能量。根据计算，中子与靶原子核的每次碰撞，平均能量损失为

核辐射场与放射性勘查

式中：A为靶原子核的质量数；E0为中子初始能量。对于氢原子核A=1，每次碰撞平均能量损失一半；与碳原子核碰撞一次，损失能量14%；与A=207的重元素铅原子核碰撞一次，损失能量约为万分之一。中子能量低，运动速度慢，所以轻元素物质，如水与碳氢化合物是良好的中子减速剂（慢化剂）。地层对中子的减速能力，主要与水含量关系密切。根据中子减速理论，可以计算不同物质对中子的减速能力，即减速长度。表2-3-3是Marshak R.E.计算的若干物质减速长度。地层的其他岩石组成物质减速能力比水小1～2个数量级，因此地层的宏观减速能力近似等于地层孔隙中水或石油的减速能力。从快

表2-3-3 中子能量从E0变到E=1.44 eV时的减速长度

中子能量减速到热中子能量（0.025eV），所需要的时间称减速时间。水中减速时间约为10-5s。热中子从产生到63.2%被俘获所需要的时间，称热中子在地层中的寿命；与地层中氯含量关系密切，是划分油水界面的依据。

（二）辐射俘获

原子核俘获中子后形成的激发态的复核系统，在极短时间内放出一个或几个γ光子的辐射衰变回到基态，这样的反应过程叫辐射俘获，表示为（n，γ）。（n，γ）反应与非d性散射（n，n′），发射其他粒子核反应以及发生核裂变等反应是相互竞争的，对不同能量中子各有优势。发射带电粒子的条件是当粒子的激发能量比粒子的结合能量大时才有可能。中子的辐射俘获和散射之间的竞争，只有当中子能量非常小，仅等于或小于10 eV数量级时，才有利于产生辐射俘获。随着中子能量增大，辐射俘获几率减小。

252Cf中子源经过慢化使中子能量降低，作为辐射俘获的中子源是非常有利的。用于辐射俘获γ能谱测井，可以一次测量多种元素，成为元素测井的主要方法。对绝大多数元素来讲，辐射俘获产生的γ射线能量大于3MeV，较天然核素高很多，不易受到干扰。表2-3-4为几种辐射俘获元素的参数。

表2-3-4 中子俘获γ射线能量及灵敏系数

中子辐射俘获很像X射线荧光，在激发的同时进行γ能谱测量。比常规中子活化速度快。也像中子活化一样，分析元素的灵敏度各不相同。如果使用高能量分辨率半导体探测器，可达微量级。

每个元素的中子辐射俘获和中子能量以及核反应截面关系密切。用于进行元素分析的灵敏度，常用灵敏系数来表示。即s=Iσ/A。式中I为俘获每100个中子产生的γ射线数，σ为反应截面（10-28m2），A为原子量（表2-3-4）。

中子辐射俘获可用于测井，称为元素测井；可用于深海（5～6 km）海底，进行连续测量，探查锰结核的分布；也可以作为中子活化分析的一个特殊方法。

（三）发射带电粒子的核反应

从快中子到热中子与原子核发生碰撞，使稳定原子核发射带电粒子，最主要的核反应有（n，p），（n，α）。这些核反应都伴随有γ射线发射，是中子活化分析和中子活化测井的基本依据。

（四）核裂变反应

中子与重原子核碰撞，使重原子核分裂（n，f），释放出中子（几个中子），绝大多数为瞬发（10-8s）中子；也有极少数（0.7%）重核，经过一段时间之后发射中子，称缓发中子。如快中子（En＞1 MeV）和热中子作用下238U和235U产生裂变反应，缓发中子可以来直接探测矿石中铀的含量。

半导体 能带 p型半导体 n型 半导体 晶体二极管、三极管

【半导体】 导电性能介于导体和绝缘体之间非离子性导电的物质。室温时其电阻率约为10-3～l09欧姆·厘米。一般是固体。例如锗（Ge）、硅（Si）以及一些化合物半导体。如碲化铅（PbTe）、砷化铟（InAs）、硫化铅（PbS）、碳化硅（SiC）等。与金属材料不同，半导体中杂质含量和外界条件的改变（如温度变化、受光照射等），都会使半导体的导电性能发生显著变化。纯度很高，内部结构完整的半导体，在极低的温度下几乎不导电，接近绝缘体。但随着温度的升高半导体的电阻迅速减小。含有少量杂质，内部结构不很完整的半导体通常可分为n型和p型两类。半导体的p－n结以及半导体同某些金属相接触的边界层，都具有单向导电或在光照下产生电势差的特性。利用这些特性可以制成各种器件，如半导体二极管、三极管和集成电路等。半导体之所以具有介于导体和绝缘体之间的导电性，是因为它的原子结构比较特殊，即其外层电子既不象导体那样容易挣脱其原子核的束缚，也不象绝缘体中的电子被原子核紧紧地束缚着。这就决定了它的导电性介于两者之间。

【能带】 研究固体物理学中的一种理论。虽然所有的固体都包含大量的电子，但有的具有很好的电子导电性能，有的则基本上观察不到任何电子导电性。这一基本事实曾长期得不到解释。在能带理论的基础上，首次对为什么有导体、绝缘体和半导体的区分提出了一个理论上的说明，这是能带论发展初期的重大成就。在物理学中往往形象化地用水平横线表示电子的能量值，能量越大，线的位置越高。一定能量范围内的许多能级（彼此相隔很近）形成一条带，称为“能带”。各种晶体的能带数目及其宽度等均不相同。相邻两能带间的能量范围称为“能隙”或“禁带”，晶体中的电子不能具有这种能量。完全被电子占据的能带称为“满带”，满带中的电子不会导电；没有电子占据的带称为“空带”；部分被占据的称为“导带”，导带中的电子才能导电，价电子所占据的能带称为“价带”。能量比价带低的各能带一般都是满带。价带可以是满带也可以是导带；如在金属中是导带，所以金属能导电，在绝缘体和半导体中是满带，所以它们不能导电。但半导体很容易因其中有杂质或受外界影响（如光照、加热等），使价带中的电子数减少，或使空带中出现一些电子而成为导带，因而也能导电。

【本征半导体】 不含杂质且结构非常完整的半导体单晶，其中参与导电的电子和空穴数目相等。温度极低时，其电阻率很大，极难导电；随着温度升高，电阻率急剧减小。当硅、锗等半导体材料制成单晶体时，其原子的排列就由杂乱无章的状态变成非常整齐的状态。其原子之间的距离都是相等的，约为2.35×10-4微米。每个原子最外层的4个电子，不仅受自身原子核的束缚，而且还与周围相邻的4个原子发生联系。这时，每两个相邻的原子之间都共有一对电子。电子对中的任何一个电子，一方面围绕自身原子核运动，另一方面也时常出现在相邻的原子所属的轨道上，这样的组合叫做“共价键”结构。硅、锗共价键结构的特点是它们外层共有的电子所受到的束缚力并不象在绝缘体中那样紧，在一定的温度下，由于热运动，其中少数电子还是可能挣脱束缚而成为自由电子，形成电子载流子。当共有电子在挣脱束缚成为自由电子后，同时留下了一个空位。有了这样一个空位，附近的共有电子就很容易来进行填补，从而形成共有电子的运动。这种运动，无论是效果上还是现象上，都好象一个带正电荷的空位子在移动。为了区别于自由电子的运动，就把这种运动叫做“空穴”运动，空位子叫做“空穴”。由此可见，空穴也是一种载流子。当半导体处于外加电压作用之下，通过它的电流可以看作是由自由电子的定向移动所形成的电子流，另一部分是带正电的空穴定向移动。所以半导体中，不仅有电子载流子还有空穴载流子，这是半导体导电的一个特点。这种纯单晶半导体，虽然多了一种空穴载流子，但是载流子的总数离开实际应用的要求，也就是从具有良好导电能力的要求来看，还相差很远，所以这种本征半导体的实际用处不大。

【杂质半导体】在纯单晶的本征半导体中，掺杂一些有用的杂质，使其导电特性得到很大的改善。而其导电性能取决于杂质的类型和含量。这样的半导体即称为“杂质半导体”。大多数半导体都是这一种类型。将半导体材料提纯，再用扩散或用离子注入法掺入适当的杂质，可以制成n型半导体或p型半导体。利用不同类型的杂质半导体，可以制成整流器，半导体二极管、半导体三极管和集成电路等重要部件。由此可以看到，只有杂质半导体才是最有用的。

【n型半导体】“n”表示负电的意思，在这类半导体中，参与导电的主要是带负电的电子，这些电子来自半导体中的“施主”杂质。所谓施主杂质就是掺入杂质能够提供导电电子而改变半导体的导电性能。例如，半导体锗和硅中的五价元素砷、锑、磷等原子都是施主杂质。如果在某一半导体的杂质总量中，施主杂质的数量占多数，则这种半导体就是n型半导体。如果在硅单晶中掺入五价元素砷、磷。则在硅原子和砷、磷原子组成共价键之后，磷外层的五个电子中，四个电子组成共价键，多出的一个电子受原子核束缚很小，因此很容易成为自由电子。所以这种半导体中，电子载流子的数目很多，主要靠电子导电，叫做电子半导体，简称n型半导体。

【p型半导体】“p”表示正电的意思。在这种半导体中，参与导电的主要是带正电的空穴，这些空穴来自于半导体中的“受主”杂质。所谓受主杂质就是掺入杂质能够接受半导体中的价电子，产生同数量的空穴，从而改变了半导体的导电性能。例如，半导体锗和硅中的三价元素硼、铟、镓等原子都是受主。如果某一半导体的杂质总量中，受主杂质的数量占多数，则这半导体是p型半导体。如果在单晶硅上掺入三价硼原子，则硼原子与硅原子组成共价键。由于硼原子数目比硅原子要少很多，因此整个晶体结构基本不变，只是某些位置上的硅原子被硼原子所代替。硼是三价元素，外层只有三个价电子，所以当它与硅原子组成共价键时，就自然形成了一个空穴。这样，掺入的硼杂质的每一个原子都可能提供一个空穴，从而使硅单晶中空穴载流子的数目大大增加。这种半导体内几乎没有自由电子，主要靠空穴导电，所以叫做空穴半导体，简称p型半导体。

【p－n结】在一块半导体中，掺入施主杂质，使其中一部分成为n型半导体。其余部分掺入受主杂质而成为p型半导体，当p型半导体和n型半导体这两个区域共处一体时，这两个区域之间的交界层就是p-n结。p-n结很薄，结中电子和和空穴都很少，但在靠近n型一边有带正电荷的离子，靠近p型一边有带负电荷的离子。这是因为，在p型区中空穴的浓度大，在n型区中电子的浓度大，所以把它们结合在一起时，在它们交界的地方便要发生电子和空穴的扩散运动。由于p区有大量可以移动的空穴，n区几乎没有空穴，空穴就要由p区向n区扩散。同样n区有大量的自由电子，p区几乎没有电子，所以电子就要由n区向p区扩散。随着扩散的进行，p区空穴减少，出现了一层带负电的粒子区；n区电子减少，出现了一层带正电的粒子区。结果在p－n结的边界附近形成了一个空间电荷区，p型区一边带负电荷的离子，n型区一边带正电荷的离子，因而在结中形成了很强的局部电场，方向由n区指向p区。当结上加正向电压（即p区加电源正极，n区加电源负极）时，这电场减弱，n区中的电子和p区中的空穴都容易通过，因而电流较大；当外加电压相反时，则这电场增强，只有原n区中的少数空穴和p区中的少数电子能够通过，因而电流很小。因此p－n结具有整流作用。当具有p－n结的半导体受到光照时，其中电子和空穴的数目增多，在结的局部电场作用下，p区的电子移到n区，n区的空穴移到p区，这样在结的两端就有电荷积累，形成电势差。这现象称为p－n结的光生伏特效应。由于这些特性，用p－n结可制成半导体二极管和光电池等器件。如果在p－n结上加以反向电压（n区加在电源正极，p区加在电源负极），电压在一定范围内，p－n结几乎不通过电流，但当加在p－n结上的反向电压越过某一数值时，发生电流突然增大的现象。这时p-n结被击穿。p－n结被击穿后便失去其单向导电的性能，但结并不一定损坏，此时将反向电压降低，它的性能还可以恢复。根据其内在的物理过程，p－n结击穿可分为雪崩击穿和隧道击穿两种。由于p－n结具有这种特性，一方面可以用它制造半导体二极管，使之工作在一定电压范围之内作整流器等；另方面因击穿后并不损坏而可用来制造稳压管或开关管等器件。

【晶体二极管】亦称为“半导体二极管”。一种由半导体材料制成的，具有单向导电特性的两极器件。早期的半导体二极管是用金属丝尖端触在半导体晶片上制成的，称为点接触二极管，通常在较高的频率范围内作检波、混频器用。目前大多数的晶体二极管都是面结型的，它是由半导体晶片上形成的p－n结组成，或由金属同半导体接触组成，可用于整流，检波、混频、开关和稳压等。除一般用途的二极管外，还有一些用于特殊用途，利用特殊原理制成的二极管。例如：（1）肖特基二极管（又称为金属-半导体二极管）：用某些金属和半导体相接触，在它们的交界面处便会形成一个势垒区（通常称为“表面势垒”或“肖特基势垒”），产生整流，检波作用。在这种二极管中，起导电作用的热运动能量比较大的那些载流子，所以又叫“热载流子二极管”。这种二极管比p－n结二极管有更高的使用频率和开关速度，噪声也比较低，但工作电流较小，反向耐压较低。目前它主要用作微波检波器和混频器，已在雷达接收机中代替了点接触二极管；（2）隧道二极管：它是一种具有负阻特性的半导体二极管。目前主要用掺杂浓度较高的锗或砷化镓制成。其电流和电压间的变化关系与一般半导体二极管不同。当某一个极上加正电压时，通过管的电流先将随电压的增加而很快变大，但在电压达到某一值后，忽而变小，小到一定值后又急剧变大；如果所加的电压与前相反，电流则随电压的增加而急剧变大。因为这种变化关系，只能用量子力学中的“隧道效应”加以说明，故称隧道二极管。它具有开关、振荡、放大等作用，应用在电子计算机和微波技术中；（3）变容二极管；它是利用p-n结的电容特性来实现放大、倍频、调谐等作用的一种二极管。由于它的结电容随外加电压而显著变化，所以称为“变容二极管”。制造变容二极管所用的半导体材料主要用硅和砷化镓。在作微波放大时，它的优点是具有很低的噪声；（4）雪崩二极管：亦称为“碰撞雪崩渡越时间二极管”。是一种在外加电压作用下可以产生超高频振荡的半导体二极管。它的工作原理是：利用p－n结的雪崩击穿在半导体中注入载流子，这些载流子渡越过晶片流向外电路。由于这一渡越需要一定的时间，因而使电流相对于电压出现一个时间延迟，适当控制渡越时间，在电流和电压的关系上会出现负阻效应，因而能够产生振荡。雪崩二极管主要用在微波领域作为振荡源；（5）发光二极管：一种在外加正向电压作用下可以发光的二极管。它的发光原理是：在正向电压作用下，p－n结中注入很多非平衡载流子，这些载流子复合时，多余的能量转化为光的形式发射出来。发光二极管经常用作电子设备中的指示灯、数码管等显示元件，也可用于光通讯。它的优点是工作电压低，耗电量小体积小、寿命长。制造发光二极管所用的半导体材料主要是磷砷化镓、碳化硅等。

【晶体三极管】 亦称为“半导体三极管”或简称“晶体管”。它是一种具有三个电极，能起放大、振荡或开关等作用的半导体器件。按工作原理不同，可分为结型晶体管和场效应晶体管。结型晶体管是在半导体单晶上制备两个p－n结，组成一个p－n－p（或n－p－n）的结构，中间的n型（或p型）区叫基区，边上两个区域分别叫发射区和集电区，这三部分都有电极与外电路联接，分别称为“发射极”以字母e表示、“基极”以字母b表示和“集电极”以字母c表示。在电子线路中，用符号代表p－n－p型和n－p－n型晶体管如图3－17所示。晶体管用作放大器时，在发射极和基极之间输入电信号，以其电流控制集电极和基极（或集电极和发射极）之间的电流，从而在负载上获得放大的电信号。同电子管相比晶体管具有体积小、重量轻、耐震动、寿命长，耗电小的优点，但受温度影响较大。目前常用的晶体管主要是用锗或硅晶体制成。场效应晶体管是利用输入电压的电场作用控制输出电流的一种半导体器件。场效应晶体管又分为结型场效应晶体管和金属—氧化物—半导体场效应晶体管两大类。金属—氧化物—半导体场效应晶体管简称为MOS晶体管，它的结构如图3－18所示，其中1为栅极；2为绝缘层；3为沟道；4为源；5为漏。制作过程为在n型（或p型）晶片上扩散生成两个p型（或n型）区，分别称为源和漏，从上面引出源极（接电压正端）和漏极（接负端），源和漏之间有一个沟道区，在它上面隔一层氧化层（或其它绝缘层）制作一层金属电极称为“栅极”。在场效应晶体管工作时，栅极电压的变化会引起沟道导电性能的变化，也就是说栅极电压变化控制了源漏之间的电流变化。场效应晶体管的特点是输入阻抗高和抗辐射能力强。

【集成电路】 它是一种微型电子器件或部件。是采用一定的工艺，把一个电路中所需要的晶体管、电阻、电容和电感等，制作在一小块或几小块晶片或陶瓷基片上，再用适当的方法进行互连而封装在一个管壳内，成为具有所需功能的微型电路结构。集成电路已打破了传统的电路设计概念，因为集成电路中的晶体管、二极管、电阻、电容、电感等各元件在结构上已组成一个整体，这样整个电路的体积大大缩小，且引出线和焊接点的数目也大大减少，从而使电子元件向着微小型化，低功耗和高可靠性方面迈进了一大步。用集成电路来装配电子设备，其装配密度比用分立式晶体管等元器件组装的电子设备提高几十倍到上百倍，设备的稳定工作时间也可大大提高。因此集成电路在电子计算机、通讯设备、导d、雷达、人造卫星和各种遥控、遥测设备中占据了非常重要的地位。根据制造工艺的不同，目前集成电路主要有半导体集成电路、薄膜集成电路、厚膜集成电路和混合集成电路等几类。根据性能和用途的不同，又可分为数字集成电路、线性集成电路和微波集成电路等。近年来集成电路的发展极为迅速。早期半导体集成电路的集成度是每个晶片上只有几十个元件，目前集成度已高达每片包含几千个甚至上万个元件。习惯把由一百个以上的门电路或一千个以上的晶体管集成在一块晶片上，并互连成具有一个系统或一个分系统功能的电路称为“大规模集成电路”。

【半导体集成电路】 亦称“固体电路”或“单块集成电路”，它是在一块半导体单晶片（一般是硅片）上，用氧化、扩散或离子注入，光刻、蒸发等工艺做成晶体管、二极管、电阻和电容等元件，并用某种隔离技术使它们在电性能上互相绝缘，而在晶片表面用金属薄膜使有关元件按需要互相连接，最后被封装在一个管壳里而构成一个完整电路。半导体集成电路制造方法比较简便，成本低廉、可靠性高、体积也比较小，是目前集成电路中生产和应用最多的一种

一般来说通过离子注入方式实现参杂，工艺最后都有一个退火过程，一是为了重新完整由于高能离子注入导致的晶格损伤，其次是激活注入的离子。更详细的关于杂志激活的原理推荐看 Slilicon VLSI Technology， Fundamentals，Practice and Modeling，作者Jmaes D. Plummer等，中文译本也有的了，这本书可谓是IC工艺理论中的经典之作～

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