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半導體探測器

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用半導體作為探測介質的輻射探測器。特點是能量分辨本領好,分辨時間快。常用的有三種類型:(1)金硅面壘型,在一塊n型硅單晶片上噴塗一層金膜,在金硅交界面附近形成一個高阻區。(2)鍺(或硅)-鋰漂移型,使適量的鋰均勻地漂移進一塊p型鍺(或硅)單晶,形成髙阻區。(3)高純鍺(或硅)單晶。使用時,探測器上接反向電壓,當有射線進入高阻區時,產生電子-空穴對,在電場作用下,電子空穴被收集,就有電信號輸出,再利用電子儀器記錄。金硅面壘探測器適用於測量帶電粒子。用鍺探測器測量γ射線的能量解析度特別好,只是一定要在低溫(77開)條件下使用。

1 半導體探測器 -簡介

 

半導體探測器半導體探測器

 以半導體材料為探測介質的輻射探測器。最通用的半導體材料是鍺和硅,其基本原理與氣體電離室相類似,故又稱固體電離室。

半導體探測器的前身可以認為是晶體計數器。早在1926年就有人發現某些固體電介質在核輻射下產生電導現象。後來,相繼出現了氯化銀、金剛石等晶體計數器。但是,由於無法克服晶體的極化效應問題,迄今為止只有金剛石探測器可以達到實用水平。半導體探測器發現較晚,1949年開始有人用α粒子照射鍺半導體點接觸型二極體時發現有電脈衝輸出。到1958年才出現第一個金硅面壘型探測器。直至60年代初,鋰漂移型探測器研製成功后,半導體探測器才得到迅速的發展和廣泛應用。

半導體探測器也有兩個電極,並加有一定的偏壓。當入射粒子進入半導體探測器的靈敏區時,即產生電子-空穴對。然後,電子與空穴在電場作用下分別向兩極運動,並被電極收集而給出電脈衝。但在半導體探測器中,入射粒子產生一個電子-空穴對所需消耗的平均能量為氣體電離室產生一個離子對所需消耗的十分之一左右。這就是半導體探測器具有很高能量解析度的主要原因。半導體探測器的靈敏區應是接近理想的半導體材料,而實際上一般的半導體材料都有較高的雜質濃度。因此,為了做出合乎要求的探測器,就必須對雜質進行補償或提高半導體單晶的純度。通常使用的半導體探測器主要有結型、面壘型、鋰漂移型和高純鍺等幾種類型。

2 半導體探測器 -結型探測器

結構類似結型半導體二極體,但用於探測粒子時要加上足夠的反向偏壓。這時電子和空穴背著PN結移動而形成靈敏區。結型探測器一般採用硅單晶。這是因硅具有較大的禁帶寬度,可用以保證在室溫下工作時有足夠小的漏電流。此外它的靈敏層厚度一般只有1毫米左右,故只適於探測穿透力較小的帶電粒子。

3 半導體探測器 -面壘型探測器

一般採用N型單晶矽片,並將金沉積在上面製成,故也常稱為金硅面壘型探測器。它是利用金和半導體之間接觸電勢差,在半導體中形成沒有自由載流子的耗盡層,即是探測器的靈敏區。在採用高純度硅材料時,其厚度可達4~5毫米。此外,還可以用極薄的矽片做成全耗盡型探測器,或稱為dE/dX型探測器,最薄可達1~2微米。入射粒子可以穿過它並根據其能量損失率而鑒別粒子種類。

4 半導體探測器 -鋰漂移型探測器

為了探測穿透能力較強的γ射線,要求探測器有更大的靈敏區。這種效果通常是使鋰漂移進入P型半導體材料,進行補償而獲得。由於鍺比硅對γ射線有更高的探測效率,故一般採用鍺(鋰)漂移探測器。這種探測器的靈敏體積可大於200厘米3。但是,由於其死層較厚,故在探測較低能量的X射線時,往往採用硅(鋰)漂移探測器。鋰漂移型探測器的另一個特點,是當它被用來探測X及γ射線時必須保持在低溫(77K)和真空中工作。

5 半導體探測器 -高純鍺探測器

隨著鍺半導體材料提純技術的進展,已可直接用超純鍺材料製備輻射探測器。它具有工藝簡單、製造周期短和可在室溫下保存等優點。用超純鍺材料還便於製成X、γ射線探測器,既可做成很大靈敏體積,又有很薄的死層,可同時用來探測X和γ射線。高純鍺探測器發展很快,有逐漸取代鍺(鋰)探測器的趨勢。

上述各種γ射線探測器均須在低溫下工作。人們日益注意探索可在常溫下探測γ射線的半導體材料。一些原子序數較大的化合物半導體,如碲化鎘、砷化鎵、碘化汞、硒化鎘等,均已用於製備X、γ射線探測器,並已取得不同程度的進展。

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