半導(dǎo)體探測器ppt課件(2)(已修改)
2025-01-26 10:23 本頁面
【正文】 第十章 半導(dǎo)體探測器 Semiconductor Detector 半導(dǎo)體探測器 的 基本原理 是帶電粒子在半導(dǎo)體探測器的靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生 電子－空穴對 ， 電子－空穴對在外電場的作用下 漂移 而輸出信號 。 我們把 氣體探測器 中的 電子－離子對 、 閃爍探測器 中被 PMT第一打拿極收集的電子 及 半導(dǎo)體探測器 中的 電子－空穴對 統(tǒng)稱為 探測器的信息載流子 。 產(chǎn)生每個信息載流子的平均能量分別為30eV(氣體探測器 )， 300eV(閃爍探測器 )和 3eV(半導(dǎo)體探測器 )。 半導(dǎo)體探測器 的特點： (1) 能量分辨率最佳 ； (2) ?射線探測效率較高 ，可與閃爍探測器相比。 常用半導(dǎo)體探測器 有： (1) PN結(jié)型 半導(dǎo)體探測器； (2) 鋰漂移型 半導(dǎo)體探測器； (3) 高純鍺 半導(dǎo)體探測器； 半導(dǎo)體的基本性質(zhì) 本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體 1) 本征 半導(dǎo)體 ： 由于熱運動而產(chǎn)生的 載流子濃度 稱為 本征載流子濃度 ， 且導(dǎo)帶中的 電子數(shù) 和價帶中的 空穴數(shù) 嚴格相等 。 常用半導(dǎo)體材料為 硅 (Si)和 鍺 (Ge)，均為 IV族元素 . 理想、無雜質(zhì)的半導(dǎo)體 . 固體物理理論已證明半導(dǎo)體內(nèi)的 載流子平衡濃度 為 ： /21910 GE kTiin p e?? ? ? ni和 pi為 單位體積 中的 電子 和 空穴 的數(shù)目 ，下標(biāo) “ i”表示 本征 (Intrinsic)材料 。 T為材料的絕對溫度 ， EG為能級的禁帶寬度 。 2) 雜質(zhì) 半導(dǎo)體 雜質(zhì)類型： 替位型 ， 間隙型 。 (1) 替位型 ： III族元素 ，如 B， Al， Ga等； V族元素 ，如 P， As， Sb等 (2) 間隙型 ： Li，可在晶格間運動。 3) 施主 雜質(zhì) (Donor impurities)與 施主 能級 施主雜質(zhì) 為 V族 元素 ， 其 電離電位 ED很低 ， 施主雜質(zhì)的 能級 一定 接近 禁帶頂部 (即導(dǎo)帶底部 )。 在室溫下 ， 這些雜質(zhì)原子幾乎全部電離 。 由于 雜質(zhì)濃度 遠大于 本征半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的電子濃度 ， 多數(shù)載流子 為 電子 ， 雜質(zhì)原子成為 正電中心 。 摻有 施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為 N 型半導(dǎo)體 。 電子濃度 ： DNn ?施主雜質(zhì)濃度 4)受主 雜質(zhì) (Acceptor impurities)與 受主 能級 受主雜質(zhì) 為 III族 元素，其 電離電位EA很低 ， 受主雜質(zhì)的 能級 一定很 接近 禁帶底部 (即價帶頂部 )，室溫下價帶中電子容易躍遷這些能級上；在價帶中出現(xiàn)空穴。所以，此時 多數(shù)載流子 為 空穴 ，雜質(zhì)原子成為 負電中心 。摻有 受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為 P 型半導(dǎo)體 。 空穴濃度 ： ANp ?受主雜質(zhì)濃度 Doping with valence 5 atoms Doping with valence 3 atoms Ntype semiconductor Ptype semiconductor 載流子濃度和補償效應(yīng) 1) 載流子濃度 空穴濃度 ： 電子濃度 ： kTEEn FeCn/)( 1 ????kTEEp FeCp/)( 2???? 式中， E1為導(dǎo)帶底； E2為價帶頂。 Cn和 Cp為與禁帶內(nèi)能級分布無關(guān)的 常數(shù) 。 所以 ： kTEpngeCCpn /???? 可見，對半導(dǎo)體材料，在一定溫度下， np僅與禁帶寬度有關(guān) 。因此，在 相同溫度下 ， 本征半導(dǎo)體 的相等的 兩種載流子密度之積 與 摻雜半導(dǎo)體 的 兩種載流子密度之積 相等，即： 22i i i in p n p n p? ? ? ? ?2) 補償效應(yīng) 對 N型半導(dǎo)體 ： n p， 可以加入 受主雜質(zhì) ， 使之成為本征半導(dǎo)體 ， 此時 n = p = ni， 也稱為 “ 準(zhǔn)本征半導(dǎo)體 ” ； 進一步加入受主雜質(zhì) ， 可變?yōu)?P型半導(dǎo)體 ， 即 p n。 但其代價為 載流子的壽命將大大縮短 。 對本征半導(dǎo)體 ： ii pn ?對雜質(zhì)半導(dǎo)體 ： ，但仍滿足 2inpn ??pn ?當(dāng) n = p 時，載流子總數(shù) 取最小值。 ii pn ? 半導(dǎo)體作為探測介質(zhì)的物理性能 1) 平均電離能 （ w） S
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