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半導(dǎo)體探測(cè)器
輻射探測(cè)器
半導(dǎo)體探測(cè)器 是以半導(dǎo)體材料為探測(cè)介質(zhì)的輻射探測(cè)器。最通用的半導(dǎo)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(dǎo)體探測(cè)器的基本原理是帶電粒子在半導(dǎo)體探測(cè)器的靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，電子－空穴對(duì)在外電場(chǎng)的作用下漂移而輸出信號(hào)。常用半導(dǎo)體探測(cè)器有 P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器、鋰漂移型半導(dǎo)體探測(cè)器和高純鍺半導(dǎo)體探測(cè)器。詞條詳細(xì)介紹了上述三種半導(dǎo)體探測(cè)器的原理、特點(diǎn)、工作條件等。
基本信息
| 中文名 | 半導(dǎo)體探測(cè)器 |
| 外文名 | semiconductor detector |
| 別名 | 固體電離室 |
| 電子產(chǎn)品類別 | 其他 |
| 用途 | 輻射 探測(cè)器 |
| 學(xué)科 | 精密儀器 |
| 領(lǐng)域 | 核能、儀器 |
收起
簡(jiǎn)介
以半導(dǎo)體材料為探測(cè)介質(zhì)的輻射探測(cè)器。最通用的半導(dǎo)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(dǎo)體探測(cè)器的前身可以認(rèn)為是晶體計(jì)數(shù)器。早在1926年就有人發(fā)現(xiàn)某些固體電介質(zhì)在核輻射下產(chǎn)生電導(dǎo)現(xiàn)象。后來(lái)，相繼出現(xiàn)了氯化銀、金剛石等晶體計(jì)數(shù)器。但是，由于無(wú)法克服晶體的極化效應(yīng)問(wèn)題，迄今為止只有金剛石探測(cè)器可以達(dá)到實(shí)用水平。半導(dǎo)體探測(cè)器發(fā)現(xiàn)較晚，1949年開(kāi)始有人用α 粒子照射鍺半導(dǎo)體點(diǎn)接觸型二極管時(shí)發(fā)現(xiàn)有電脈沖輸出。到1958年才出現(xiàn)第一個(gè)金硅面壘型探測(cè)器。直至60年代初，鋰漂移型探測(cè)器研制成功后，半導(dǎo)體探測(cè)器才得到迅速的發(fā)展和廣泛應(yīng)用。
半導(dǎo)體探測(cè)器也有兩個(gè)電極，并加有一定的偏壓。當(dāng)入射粒子進(jìn)入半導(dǎo)體探測(cè)器的靈敏區(qū)時(shí)，即產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。然后，電子與空穴在電場(chǎng)作用下分別向兩極運(yùn)動(dòng)，并被電極收集而給出電脈沖。但在半導(dǎo)體探測(cè)器中，入射粒子產(chǎn)生一個(gè)電子－空穴對(duì)所需消耗的平均能量為氣體電離室產(chǎn)生一個(gè)離子對(duì)所需消耗的十分之一左右。這就是半導(dǎo)體探測(cè)器具有很高能量分辨率的主要原因。半導(dǎo)體探測(cè)器的靈敏區(qū)應(yīng)是接近理想的半導(dǎo)體材料，而實(shí)際上一般的半導(dǎo)體材料都有較高的雜質(zhì)濃度。因此，為了做出合乎要求的探測(cè)器，就必須對(duì)雜質(zhì)進(jìn)行補(bǔ)償或提高半導(dǎo)體單晶的純度。通常使用的半導(dǎo)體探測(cè)器主要有結(jié)型、面壘型、鋰漂移型和高純鍺等幾種類型。
（１）金硅面壘型，在一塊n型硅單晶片上噴涂一層金膜，在金硅交界面附近形成一個(gè)高阻區(qū)。
（2)鍺（或硅）-鋰漂移型，使適量的鋰均勻地漂移進(jìn)一塊p型鍺（或硅）單晶，形成髙阻區(qū)。
結(jié)型探測(cè)器
結(jié)構(gòu)類似結(jié)型半導(dǎo)體二極管，但用于探測(cè)粒子時(shí)要加上足夠的反向偏壓。這時(shí)電子和空穴背著PN結(jié)移動(dòng)而形成靈敏區(qū)。結(jié)型探測(cè)器一般采用硅單晶。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(shí)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，故只適于探測(cè)穿透力較小的帶電粒子。
面壘型探測(cè)器
一般采用N型單晶硅片，并將金沉積在上面制成，故也常稱為金硅面壘型探測(cè)器。它是利用金和半導(dǎo)體之間接觸電勢(shì)差，在半導(dǎo)體中形成沒(méi)有自由載流子的耗盡層，即是探測(cè)器的靈敏區(qū)。在采用高純度硅材料時(shí)，其厚度可達(dá)4～5毫米。此外，還可以用極薄的硅片做成全耗盡型探測(cè)器，或稱為dE/dX 型探測(cè)器，最薄可達(dá)1～2微米。入射粒子可以穿過(guò)它并根據(jù)其能量損失率而鑒別粒子種類。
鋰漂移型探測(cè)器
為了探測(cè)穿透能力較強(qiáng)的γ射線，要求探測(cè)器有更大的靈敏區(qū)。這種效果通常是使鋰漂移進(jìn)入P型半導(dǎo)體材料，進(jìn)行補(bǔ)償而獲得。由于鍺比硅對(duì)γ射線有更高的探測(cè)效率，故一般采用鍺（鋰）漂移探測(cè)器。這種探測(cè)器的靈敏體積可大于200厘米3。但是，由于其死層較厚，故在探測(cè)較低能量的X射線時(shí)，往往采用硅（鋰）漂移探測(cè)器。鋰漂移型探測(cè)器的另一個(gè)特點(diǎn)，是當(dāng)它被用來(lái)探測(cè)X及γ射線時(shí)必須保持在低溫(77K)和真空中工作。
高純鍺探測(cè)器
隨著鍺半導(dǎo)體材料提純技術(shù)的進(jìn)展，已可直接用超純鍺材料制備輻射探測(cè)器。它具有工藝簡(jiǎn)單、制造周期短和可在室溫下保存等優(yōu)點(diǎn)。用超純鍺材料還便于制成X、γ射線探測(cè)器，既可做成很大靈敏體積，又有很薄的死層，可同時(shí)用來(lái)探測(cè)X和γ射線。高純鍺探測(cè)器發(fā)展很快，有逐漸取代鍺（鋰）探測(cè)器的趨勢(shì)。
上述各種γ射線探測(cè)器均須在低溫下工作。人們?nèi)找孀⒁馓剿骺稍诔叵绿綔y(cè)γ射線的半導(dǎo)體材料。一些原子序數(shù)較大的化合物半導(dǎo)體，如碲化鎘、砷化鎵、碘化汞、硒化鎘等，均已用于制備X、γ射線探測(cè)器，并已取得不同程度的進(jìn)展。
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