第五章 半导体探测器 §5-1 半导体的基本知识和探测器的工作原理§5-2 能量测量半导体探测器§5-3 半导体探测器的主要参量§5-4 位置测量半导体探测器§5-5 半导体探测器的应用

Semiconductor Detector• 优点：1 ）很高的能量分辨率，比气体探测器大约高一个数量级，比闪烁计

数器高的更多。因为在半导体中电离产生一对电子－空穴对只需要 3eV 左右的能量；带电粒子在半导体中的能量损失很多，在硅晶体中大约为 3.9MeV/ cm ，所以能量相同的带电粒子在半导体中产生的电子－空穴对数比在气体中产生的离子对数高一个数量级以上。这样电离对数的统计误差比在气体中小很多。

2 ）很宽的能量响应线性范围3 ）很快的响应时间， ns 量级，高计数率 >108/cm2·s

4 ）体积小5 ）很好的位置分辨率，好于 1.4 m 。• 缺点：对辐射损伤灵敏

§5-1 半导体的基本知识和 探测器的工作原理

一、半导体的基本知识1. 固体的导电性： 物体导电是物体内电子在外电场作用下定向运动的结果。

2. 导体、半导体、绝缘体的能带 由于电场力对电子的作用，使电子的运动速度和能量发生变化。 从

能带论来看，电子能量变化就是电子从一个能级跃迁到另一个能级上。

• 满带：被电子占满的能级，一般外电场作用时，其电子不形成电流，对导电没有贡献，亦称价带。

• 导带：被电子部分占满的高能态能级，在外电场作用下，电子从外电场吸收能量跃迁到未被电子占据的能级上去，形成电流，起导电作用。

5

2 9

10

10

10 10

10

cm

cm

cm

• 禁带：满带和导带之间的禁区称为禁带，其宽度也称为能隙，记做 Eg 。

• 导体、半导体和绝缘体之间的差别在于禁带宽度不同： 导体不存在禁带，满带和导电交织在一起； 半导体禁带较窄， Eg=0.1-2.2eV

绝缘体禁带较宽， Eg=2-10eV

由于能带取决于原子间距，所以 Eg 与温度和压力有关。一般禁带宽度大的材料，耐高温性能和耐辐照性能好。

材料 Si Ge CdTe CdZnTe HgI2 CdSe GaAs

原子序数（ Z） 14 32 48、 52 48、 30、 52

80、 53 48、 34 31、 33

密度（ g/cm3） 2.33 5.32 6.06 5.9～5.95

6.4 5.74 5.36

介电常数 11.7 15.7 4.46 8.8 12.5

禁带宽度 Eg(eV) 1.12/1.16 0.67/0.74 1.47 1.4～2.26

2.13 1.70 1.43

平均电离能W(eV) 3.62/3.76 2.80/2.96 4.46 4.3 4.35

工作温度（ K） 300/77 300/77 300 300 300 300 300

漂移迁移率[cm2/(V.s)]

电子 1450 3900 1100 1100 100 650 8600

空穴 450 1900 100 50 4 65 1000

少数载流子寿命 τ (s) 103 103 6 1.1×10-2 25 10-3 0.1

电阻率 (Ω·cm) 104 102 109 1011 1013 1012 107

俘获长度 (mm) 103 103 1 1 1

能量分辨率FWHM(KeV)

55Fe, X 5.9KeV 0.136 1.1 1.5 0.295

241Am, 59.5KeV 0.40 0.3 1.5 3 1.2 5.9 2.6

57.Co, 122KeV 0.55 0.4 4.5 3.9 2.0

137Cs, 662KeV 0.9 0.9 8 10 4.5

241Am,5.48MeV 13.5 64.8

几种半导体材料的性能参数

3.本征半导体• 理想的不含杂质的半导体称为本征半导体，导带上的电子数目严格

等于满带上的空穴数目， n=p 。• 一般情况下，半导体的满带完全被电子占满，导带中没有电子。在热

力学温度为零时，即使有外电场作用，它们并不导电。但是当温度升高或有光照时，半导体满带中少量电子会获得能量而被激发到导带上，这些电子在外电场作用下将参与导电。同时满带中留下的空穴也参与导电。

• N 型（电子型）半导体：导带内电子运动，参与导电。• P 型（空穴型）半导体：满带内空穴运动，参与导电。• 载流子：是电子和空穴的统称。温度高，禁带宽度小，产生的载流

子数目就多；产生得越多，电子与空穴复合的几率也越大。在一定温度下，产生率和复合率达到相对平衡，半导体中保持一定数目的载流子。

2 3 expi

Egn n p UT

kT

每立方厘米体积中电子与空穴的浓度

禁带宽度 (eV)

绝对温度 (K)

玻尔兹曼常数比例系数

2 33 3

2 32 3

10 3

13 3

1.211.5 10 exp

0.7853.1 10 exp

300

1.5 10 /

2.4 10 /

i

i

Si n TkT

Ge n TkT

t K

Si n p cm

Ge n p cm

不含杂质的理想本征半导体的载流子浓度

硅

锗

在室温下， ，本征半导体载流子浓度

硅

锗

• 载流子浓度：固体物理可以证明本征半导体内的载流子平衡浓度

Silicon DetectorSome characteristics of Silicon

crystals• Small band gap Eg = 1.12 eV

⇒ W(e-h pair) = 3.6 eV • High specific density 2.33 g/cm3

dE/dx (M.I.P.) ≈ 3.9 MeV/cm

≈ 102 e-h/µm (average)• High carrier mobility

µe =1450cm2/ V.s,

µh = 450 cm2/ V.s

⇒ fast charge collection (<10 ns)• Very pure < 1ppm impurities• Rigidity of silicon allows thin self

supporting structures• Detector production by

microelectronic techniques

把电子贡献给导带的杂质称为施主杂质，杂质能级叫施主能级，位于导带底部。常用的五价元素有： P( 磷 ) 、As( 砷 ) 、 Sb( 锑 ) 、 Li( 锂）等。五价元素原子的第 5个价电子都激发到导带中参与导电，五价元素原子成为正离子，是不能移动的正电中心。这种半导体的导电主要是电子贡献，称作电子型或 N 型半导体。

能接受满带中电子而产生导电空穴的杂质称为受主杂质，常用的三价元素有： B(硼 ) 、 Al(铝 ) 、 Ga(镓 ) 、 In(铟 ) 。三价元素原子有从附近吸收一个电子的趋势，在满带上面形成一个新的局部能级，叫受主能级。满带中的电子很容易跳入该能级。在室温下三价元素原子几乎都形成负离子，是不能移动的负电中心，而在满带中产生空穴。这种半导体的导电主要是空穴的贡献，称作空穴型或P 型半导体。

掺杂：在本征半导体内掺入杂质，掺杂：在本征半导体内掺入杂质， 来改变半导体材料的性能来改变半导体材料的性能。。

2

2

N i

i

nn n p

n

np p n

p

施施

受受

在 型半导体中， ，

在P型半导体中， ，

结构缺陷结构缺陷 点缺陷：点缺陷：晶格上出现空位或应该空位处出现了原子。晶格上出现空位或应该空位处出现了原子。 线缺陷：线缺陷：晶体受应力作用发生错位（沿平面滑移）。晶体受应力作用发生错位（沿平面滑移）。 晶格缺陷也能俘获或放出电子，相当于在晶体禁带中晶格缺陷也能俘获或放出电子，相当于在晶体禁带中附加附加受主或施主能级，也起受主或施主作用。受主或施主能级，也起受主或施主作用。

• N 型半导体的本征空穴和 P 型半导体的本征电子也参与导电，称为少数载流子。

• 对于掺杂半导体，除了本征激发产生的电子空穴对以外，还有施主杂质提供的电子和受主杂质提供的空穴，所以电子和空穴的浓度不相等。

二、 PN 结（ pn junction ）结合前， N 区的电子比 P 区多， P 区的空穴比 N 区多。结合后，电子由 N 区向 P 区扩散与空穴复合；空穴由 P 区向 N 区扩散与电子复合。扩散的结果形成 PN 结。在 PN 结区，电子空穴很少，剩下的杂质正负离子形成空间电荷区，其内建电场方向由 N 区指向 P 区，阻止电子、空穴继续扩散，并造成少数载流子的反向漂移运动。当扩散运动和反向漂移运动达到平衡时， P 区或 N 区的电子空穴浓度就不再变化。这个由杂质离子组成的空间电荷，即 PN 结区，亦称耗尽区，阻挡层，势垒区。内建电势差： VD ；势垒高度： eVD

半导体探测器的灵敏区半导体探测器的灵敏区• 内建电势差 VD ，加在 PN 结两边的电位差，势垒高度为 eVD 。

• 为什么半导体 PN 结可作为灵敏区？

1 ）在 PN 结区可移动的载流子基本被耗尽，只留下电离了的正负电中心，对电导率无贡献，其具有很高的电阻率。

2） PN 结加上一定负偏压，耗尽区扩展，可达全耗尽，死层极薄，外加电压几乎全部加到 PN结上，形成很高电场。

3 ）漏电流很小，有很好的信噪比。

PNPN 结的偏压特性结的偏压特性• 加反向电压， N 区接正， P 区接负，外加电场方向与内建电场方向相

同，使耗尽层增厚，漂移运动增强。当带电粒子穿过时产生电子－空穴对，在高电场下分别向正负电极漂移，产生信号。信号幅度正比于电子空穴对数目，正比于入射粒子损失能量。所以加反向偏压的 PN 结就是结型半导体探测器的灵敏区。

三、载流子的产生和复合三、载流子的产生和复合• 非平衡载流子：入射粒子产生的载流子。类似气体电

离，产生一对电子空穴对所需消耗的能量称作平均电离能W ，W 与 Eg一样与半导体材料和温度有关。

• 复合和俘获：1）导带上的电子直接被满带中空穴俘获；2 ）通过晶体中杂质和晶格缺陷在禁带内的中间能级—— 复合中心和俘获中心进行

温度 硅 Si 的 W 锗 Ge 的 W

室温 300K 3.62eV 2.80eV

低温 77K 3.76eV 2.96eV

0

t

N N e

：非平衡载流子从产生到复合或俘获前平均存在的时间

n n n

p p p

E

E

电子漂移速度 电子迁移率

空穴漂移速度 空穴迁移率

T

：单位场强作用下载流子的平均漂移速度，与温度、场强和杂质浓度有关。在一定温度和场强范围内有经验公式

，式中 和 是常数，与材料有关，对电子、空穴其值不同。

, , . , .n p n p n p n p n pL E

• 载流子寿命：非平衡载流子数目 N0随时间按指数规律衰减。

• 载流子漂移速度：

• 扩散长度或俘获长度： 表示非平衡载流子从产生到消失前平均移动的距离。 扩散长度必须大于探测器灵敏区厚度。

材料要求 物理要求

L n,p 大或 n,p 大 电荷收集效率高能量分辨好

Eg 大 使用温度高抗辐照性能好

杂质浓度低 灵敏区厚度大

原子序数大 射线探测效率高

材料和加工工艺合适 可生产有用的探测器

• 对半导体探测器材料的基本要求

§5-2 能量测量半导体探测器一、 PN 结型探测器1. 扩散型• 将一种类型的杂质扩散到另一种类型的半导体内形成 PN

结。通常是把五价磷在高温下（ 800－ 1000oC)扩散到P 型硅中，扩散深度由调节温度和时间来控制。从而在P 型硅表面形成高浓度的 N ＋层，在 P 型硅和 N 型硅交界处就得到了 PN 结。

• 结区厚 1－ 2m ，电极和信号引出的欧姆接触利用真空沉积或化学镀等方法实现。

• 优点：漏电流小，对辐射损伤不灵敏。• 缺点：死层较厚，不易获得大面积 PN 结，生产过程中

高温处理，导致载流子寿命减小，影响能量分辨率。

2. 2. 面垒型面垒型• 金硅面垒探测器• 优点：窗薄，噪声低，不经高温处理，能量分辨率高，

能量线性响应好。工艺简单，成品率高，易于制得大面积探测器。

• 主要用于测量质子、粒子和重离子等带电粒子。

3.3. 离子注入型离子注入型• 制备：利用加速器产生一定能量（ 5－ 100KeV) 的杂质正离子束，直接穿透半导体表面形成 PN 结。常用硼离子束轰击 N 型硅，或用磷离子束轰击 P 型硅，调节离子束能量和强度，得到所需的掺杂深度和浓度。

• 优点：入射窗薄，薄至 30-40nm 。• 缺点：能量分辨率不如面垒型，但比扩散型好。入射离

子束产生强的辐射损伤，形成大量复合和俘获中心。使用较低能量的离子束和在一定温度下退火，可以消除这一效应。

二、锂漂移型探测器二、锂漂移型探测器• 由于锂在 Si和 Ge 中的电离能

较低，在室温下锂全部电离，电子进入导带内起施主作用。

• Li ＋半径小于 Si和 Ge 的晶格距离很多，在电场作用下很容易进入半导体内部，向深处扩散。Li ＋ 和 P 型受主杂质 B- 由于静电作用形成稳定的 (Li ＋ B-) 对，达到补偿的目的。

• 形成电阻率很高的本征层 (I 型，亦称 I区 ) ，本征层电场很强，是探测器的灵敏区。

二、锂漂移型探测器二、锂漂移型探测器• 锂漂移型探测器是准本征材料和 PN 结的组合，常

称作 NIP 探测器。• 本征层厚度：• 最大优点是灵敏层厚，可达 0.5－ 6mm ，适于用作

和 x 射线测量。• 硅锂探测器 Si(Li) ，可在室温下工作，在液氮温度

下性能改善。主要探测射线和低能 射线， E <100KeV 。

• 锗锂探测器 Ge(Li) ，必须在液氮温度下工作。• 锂漂移型探测器必须在低温下加反偏压存储，否则

锂离子在室温下有相当的迁移率，而使性能变坏。

2x Vt V漂移电压， t漂移时间，锂离子迁移率

只要延长单晶长度就可以增大灵敏体积。

• 同轴型 Ge(Li) 探测器 大多数是圆柱形。 平面型 单开端 双开端

三、高纯锗探测器三、高纯锗探测器• 利用纯度很高的锗制成 PN

结，耗尽层随反向偏压的增加而增厚。当偏压很高时，整块晶体都成了耗尽层。

• 有平面型，或具有环状深沟的槽型结构，也可是同轴型。

• 优点：易制备成大灵敏体积的探测器，可在室温下储存，在高低温下 (170K) 工作，性能仍很好。它的能量分辨率和对射线的探测效率与Ge(Li) 探测器相同。

高纯锗半导体探测器

高纯锗耗尽层剖面图

高纯锗槽型探测器

• 高纯锗半导体探测器

四、化合物半导体探测器四、化合物半导体探测器

1. CdTe、 CdZnTe 探测器• 优点：原子序数高，禁带宽度大，电阻率高，非常适合探测 10－ 500KeV 的光子，可以在室温下工作。体积为 1－ 2cm3 的晶体可探测能量 1MeV 以上的光子，用于 x 射线、射线能谱测量。对 57Co的122KeV 射线的半宽度室温时为 5.9KeV 。

• 缺点：载流子寿命不够大，俘获长度较小，造成电荷收集不完全，能谱性能受限制。

1. CdTe、 CdZnTe 探测器

• CdZnTe（ CZT ）晶体是近年发展起未的一种性能优异的室温半导体核辐射探测器新材料。 CZT 晶体是由于 CdTe 晶体的电阻率较低，所制成的探测器漏电流较大，能量分辨率较低，就在 CdTe 中掺入Zn 使其禁带宽度增加，而发展成了的一种新材料。随 Zn 含量的不同，禁带宽度从 1.4eV （近红外）至2.26eV （绿光）连续变化，所制成的探测器漏电流小，在室温下对 X 射线， γ 射线能量分辨率好，能量探测范围在 10KeV－ 6MeV ，且无极化现象。

半导体种类 CdTe CdZnTe

原子数 48,52 48,30,52

密度 (g.cm-3) 5.85 5.81

禁带宽度 (eV) 1.44 1.6

电阻率 (·cm) 109 (1-5)×1010

()e×10-3cm2V-1 0.1-2 0.8-9

()h×10-5cm2V-1 1-10 0.1-1

• 性能比较：

2. GaAs 探测器• 性能：原子序数为 31和 33 ，与锗相近， Eg=1.45eV 。

主要用作室温谱仪和谱仪。室温时，对 57Co的122KeV 射线的半宽度为 3.8KeV 。

• 制备： GaAs微条探测器用肖特基技术形成 PN结 , 要二次光刻 ( 硅微条探测器用扩散技术需要四次 ). 采用金属 - 半导体 -金属 (M-S-M) 结构 , 将 Cr-Au金属与GaAs 晶片的正反两面形成双肖特基结。

• 结构：微条粒子探测器的结构是 M-S-M 结构，衬底是半绝缘的 GaAs 晶片，探测器表面覆盖 SiO2钝化层 , 在每一微条中，相隔 1000m 距离开压块孔，其面积为120m× 120m 。设计压块的目的是为了可随意提取探测器在某一个位置的电信号。

2. GaAs2. GaAs 探测器探测器

3. HgI2 探测器• 原子序数为 80和 53 ，比锗大， Eg=2.13eV 。主要用作室温或高温谱仪。电离效率高 (52％ ), 少数载流子的迁移率和寿命的乘积大 , 可制备出噪声水平低、漏电流低、探测效率高、计数率高、能量分辨率较好、能在常温下运行的半导体探测器。对 57Co的 122KeV 射线的半宽度室温时为 4.3KeV 。可以工作在 200－ 400oC 下。

• 发展方向集中在对碘化汞基础原料的研究及其残留缺陷和杂质特性的认识。

• 提高碘化汞晶体的均匀性是研制大面积晶片成像装置的关键 。

• 由于碘化汞探测器的问题主要集中在较差空穴收集率，所以如何提高其空穴收集率仍是目前研究的热点。

五、特殊类型半导体探测器五、特殊类型半导体探测器1. 全耗尽探测器 是一种特殊的 PN 结型探测器，其 P 和 N层减至最薄，使硅材

料中不存在未耗尽部分，选用电阻率大的材料和适当高的工作电压，可以使耗尽层扩展到探测器整个厚度。

主要用于粒子鉴别。粒子穿过它时损失能量，与粒子入射能量和种类有关，测量 ΔE 即可确定粒子种类。故又叫 ΔE 探测器。探测器厚度与所要探测的粒子能量和种类有关。

探测 >1MeV 的电子，厚度为 100～ 200m ； 探测质子和重粒子，厚度很薄 ～十几 m ；面垒型 4 m 。 因非耗尽层可忽略，结电容是常数，所以其输出幅度稳定，上

升时间快，一般为十几 ns ，好的可小到 2ns 。可以用于飞行时间测量和其他要求快的地方。

2. 电流型探测器 类似电流脉冲电离室情况，电流型半导体探测器用 于探测脉冲射线源（即快瞬时、高强度的、 n 、 X ） 的强度和时间行为。所以具有线性响应好、输出脉 冲电流与辐照剂量率成正比，输出电流大、时间响 应快等特点，上升时间小于 10ns 。 三种制造工艺 第一种是用化学镀铜工艺和面垒工艺 第二种是双扩散 NIP 电流型探测器 第三种是离子注入 NIP 电流型探测器

3 . 内放大探测器• 类似晶体三极管的放大型和工作在雪崩状态的 PN 结型，类似气体正比计数器的雪崩二极管发展很快并已获得应用。主要是利用工艺和结构上的办法来达到既使电子倍增，又使噪声增加并不严重的目的。

• 三种制作技术：扩散，离子注入（带有扩散）以及外延。

• 面积约 25mm2 ，厚度对双扩散法可达 150m ，双外延法为 30m ，放大倍数为 1080 。对 55Fe的 5.9KeVX射线得到 600eV 的能量分辨。

§5-3 半导体探测器的主要参量一、窗厚• 定义：粒子进入探测器灵敏区之前通过的非灵敏区叫窗

或死层。窗厚会导致能量损失并使能量分辨变坏。• 金硅面垒型的窗：金层厚度＋硅的死层 一般金层厚 20 － 100g/cm2 ，硅死层厚正比于• 扩散型的窗：通常为 0.5-2 m ，较厚。• 离子注入型的窗：与离子束能量有关，可以很薄。对 10

K 的高阻硅，窗厚可做到 0.04 m 。• 锂漂移型：从锂扩散面入射，窗是厚的，达 0.1-0.3mm 。

但做成全耗尽型，从背面金层入射，窗较薄，达 0.1 m 。• 高纯锗：可以像面垒型和离子注入型一样做得较薄。

lnB

AV

二、灵敏区厚度二、灵敏区厚度• 灵敏区：是 PN 结的势垒区、耗尽层或者锂漂移型的补偿区。• 灵敏区的厚度定义：粒子垂直入射的灵敏区的厚度，记作 d 。

其确定了能探测的粒子的最大能量。

• 对 PN 结型：

• 普通的 PN 结型灵敏区厚度可以从几 m-1mm 。 高纯锗探测器因有很高的电阻率，可以加很高的偏压，所以灵敏

区厚度可以做到几 cm 。 • 对锂漂移型：灵敏区厚度包括本征补偿层和向两边的外延，由漂移过程决定。一旦做好以后基本为常数。

对平面型为 0.5-10mm 对同轴型为 50-100mm

0.53 ( ) 1.15 ( )

0.32 ( ) 0.74 ( )

N Si d V m N Ge d V m

P Si d V m P Ge d V m

型 型

型 型

2

1

011109

VV

Zd D

0

0

DV V

d V

三、结电容三、结电容• 近似情况下，半导体探测器相当于一个填充绝缘介质

的平板电容器。

• 锂漂移探测器 d 与工作电压无关， Cd接近于常数，一般为十几到几十 pF 。

• PN 结型 Cd 与工作电压有关，一般为几十到几百 pF 。

4d

SC

d d

介电常数，S探测器面积

绝缘介质厚度2

11( ) ( ) ( ) ( )

9 10 4 11.3d

S SS cm d cm C F pF

d d

若 ， ，则

4 2

4 2

4 2

4 2

1.9 10 / ( / )

3.2 10 / ( / )

1.37 10 / ( / )

2.12 10 / ( / )

dN

dP

dN

dP

CN Si V pF cm

SC

P Si V pF cmSC

N Ge V pF cmS

CP Ge V pF cm

S

型

型

型

型

2

1

2lnd

lC

rr

介电常数介电常数本征区高度本征区高度

本征区外径本征区外径

本征区内径本征区内径

d

QU

C

• 同轴型探测器的结电容：十几至几十 pF

• 探测器输出脉冲幅度与电容有关， 为了得到结电容较小的探测器，应选用电阻率高的材

料，使用高的工作偏压和减小探测器面积。• 结电容随工作电压变化，造成能量相同的的入射粒子

在灵敏区产生相同的电子－空穴对，但输出脉冲幅度却可能不同，所以 PN 结型半导体探测器必须使用电荷灵敏放大器。

四、正反向电流特性四、正反向电流特性• 要求：二极管伏安特性。 正向电流上升很陡； 反向电流越小越好。• 反向电流三个来源：1 ）扩散电流：由灵敏区外少数载流子扩散到灵敏区内产生，一般很小。但若两电极不是欧姆接触，而是形成另外的 PN 结，将使反向电流大为增加。

2ien

I d s

体

9 2

6 2

1.2 10 ( / )

1.9 10 ( / )

I dSi J A cm

I dGe J A cm

体体

体体

s

s

2 ）体电流：由灵敏区内复合和俘获中心因本征热激发产生的载流子在外电场作用下向两极运动，形成反向体电流。它与灵敏区内本征载流子数目成正比，即与本征载流子浓度与灵敏区体积以及温度成正比。

：少数载流子寿命。体电流是反向电流的主要部分， 在低温下工作可以大大减小。3 ）表面漏电流：沿探测器表面的漏电流，与制造工艺、表面处理、沾污程度、环境条件等因素有关。会直接影响击穿电压。制造时可采用增加表面沟槽或保护环技术，使用时保证干燥和表面清洁，以减少漏电流。

五、能量分辨率和线性• 影响能量分辨率的主要因素：1 ）由电离效应产生的电子空穴对的统计涨落：

2.354E EFW 电

材料 Z 介电常数 密度(g/cm3)

平均电离功W(eV)

法诺因子 F

300K 77K 理论 实测

Si 14 11.7 2.33 3.62 3.76 0.050 0.069

Ge 22 15.7 5.33 2.80 2.96 0.121 0.058

CdTe 48 ， 52

4.46 0.043

2.354 2.354F FW

RN E

2 ）入射粒子与原子核的散射和核反应的统计涨落 造成收集电荷的统计涨落迭加在电离起伏上。3 ）朗道效应和沟道效应 薄的 dE/dx 探测器或高能粒子的电离损失－朗道效应。 晶格的特殊方向上单位距离上原子数较少，重带电粒子沿该方

向入射时电离损失减少－沟道效应。4 ）电子空穴在探测器内的俘获和复合； 由于俘获和复合造成载流子收集不完全影响能量分辨。由于俘

获和复合中心分布不均匀造成输出脉冲起伏，与俘获中心的类型、数量和空间分布有关，也与入射粒子种类和能量有关。要求材料的俘获长度远大于灵敏区厚度。

5 ）探测器和放大器的噪声； 探测器的噪声主要来源于反向漏电流的起伏。降低工作温度可

以减小噪声。6 ）探测器窗厚、放射源厚度影响等等。 窗厚的影响对低能重粒子明显，使用薄窗探测器。

Q E eV

C WC

E U ：常数，：脉冲高度亏损

• 能量线性很好 半导体的平均电离功与入射粒子的能量和种类以及探

测器的类型无关，只要所产生的电子空穴对全部被收集，探测器输出脉冲与入射粒子能量成正比。

半导体探测器对各种粒子都有良好的能量线性。 ：收集效率

但对低能重粒子，特别是重离子和核裂片，呈现能量非线性。输出脉冲高度 U 与入射粒子能量 E 关系：

六、脉冲波形和上升时间六、脉冲波形和上升时间• 类似平板固体电离室。在电场作用下，入射粒子产生的电子空穴

分别向正负电极运动。设半导体探测器内电场均匀分布，其输出电压脉冲和电流脉冲可以用气体电离室的公式表示

• 由于电子和空穴的漂移速度不同，它们对输出脉冲的贡献不同，输出脉冲形状与产生电离的位置 X0有关。

qdxdQ

d

0

0

N eU

C

2

20p p p

d d dT T

w E V

灵敏区厚度灵敏区厚度

工作偏压工作偏压

• 三种情况的电压脉冲幅度都是• 实际上入射粒子并不是只在 X0处产生电子空穴对，

而是沿入射路径电离，因而电压脉冲上升时间最大值 T 由空穴最大漂移时间 T2 决定。

• 上式对全耗尽的锂漂移型适用， T 为几十到几百 ns 。• 对 PN 结型，由于结区电场不均匀，上述推导不成立。• 金硅面垒探测器的 T 为几到十几 ns 。

七、辐照效应七、辐照效应• 半导体探测器的辐照损伤很严重。因为辐照在半导体中会造成晶格缺陷，这些缺陷会成为俘获中心，从而降低载流子的寿命，使电阻率发生变化，材料性能发生变化，导致探测器性能变差。

• 辐射损伤与辐射种类、剂量率以及辐照时间和条件有关。• 面垒型和扩散型：裂变产物 <108/cm2

α 粒子 <109 － 1011 /cm2 快中子 <1011 － 1014/cm2

慢中子 1015/cm2 性能没有明显变化 射线 <1015 － 1016/cm2

• 锂漂移型和高纯锗耐辐照性能更差，快中子和高能质子通量大于 109 － 1010 个 /cm2 时，分辨率明显变坏。

八、不同粒子在八、不同粒子在 SiSi 材料中的射程材料中的射程

九、电荷灵敏放大器九、电荷灵敏放大器

RL负载电阻， Ri、 Ci 为前放输入电阻与电容。

0

1 1 1 1'a i

d L i

C C CR R R R

I(t) 电子空穴漂移产生的感应电流脉冲信号，Rd 探测器加反向偏压时灵敏区的电阻，Cd 结电容， C’ 分布电容，Rs、 Cs 为探测器非灵敏区的电阻和电容。

0p

d a d a

N eQV

C C C C

0/ ( )0( ) d at R C C

d a

N eV t e

C C

CfCf ：反馈电容，：反馈电容，CC：： CfCf 断开时放大器断开时放大器 CiCi＋＋ C’C’

电荷灵敏放大器：电荷灵敏放大器：开环增益很大的电容负反开环增益很大的电容负反馈放大器，其输入电容极馈放大器，其输入电容极大且稳定。大且稳定。

• 选择输出回路的时间常数 R0(Cd+Ca) 比探测器载流子的收集时间大得多，则 I(t)对 (Cd+Ca)充电时，从 R0 上漏掉的电荷可忽略。输出电压脉冲幅度峰值 Vp 为：

输出脉冲与结电容有关。

( ) 1pi po pi pi piV V V KV K V (1 )f piQ C K V

(1 )i d fC C C K C

(1 )pid f

QV

C C K C

f d pif

po pif f

QKC C C V

KC

KQ QV KV

KC C

，则

与结电容无关与结电容无关

• 反馈电容两端的电压幅度：

• 反馈电容两端的电荷量：• 反馈电容对放大器输入的影响相当于在输入端接了一

个容量为 (1＋ K)Cf 的大电容。• 输出回路的总电容为：• 当 R0 很大时， 只要 K足够大，

§5-4 位置测量半导体探测器• 随着高能物理实验的不断发展，半导体探测器也有很大发展。其中硅微条探测器 SMD(Silicon Micro-strip Detector) 、像素探测器 (Pixel)和 CCD(Charge-Coupled Device) 的发展是半导体探测器新发展的突出代表。

• 近十几年来 , 世界各大高能物理实验室几乎都采用 SMD作为顶点探测器： ATLAS和 CMS 作为探测粒子径迹的径迹室 ( tracker) 。

• 新型的半导体探测器的飞速发展和应用不仅促进了高能物理的发展 , 而且还推动了天体物理、宇宙线物理、核医学数字影像技术等领域的发展。在核医学领域的 CT 和其它数字化图像方面的应用研究 , 也有了很多新的进展。

Monolithic Active Pixel Sensors

• IPHC-DRS (former IRES/LEPSI) proposed using MAPS for high energy physics in 1999

• Standard commercial CMOS technology • Sensor and signal processing are integrated in the same silicon wafer• Proven thinning to 50 micron• Signal is created in the low-doped epitaxial layer (typically ~10-15 μm) → MIP• signal is limited to <1000 electrons• Charge collection is mainly through thermal diffusion (~100 ns), reflective

boundaries at p-epi and substrate → cluster size is about ~10 pixels (20-30 μm pitch)

• Room temperature operation

MAPS pixel cross-section (not to scale)

一、硅微条探测器 • 优点1.非常好的位置分辨率～ 1. 4m 。2. 很高的能量分辨率。3. 很宽的线性范围。4.非常快的响应时间～ 5ns ，高计数率，可 >108/cm2·s 。 5. 体积可做得很小。• 缺点对辐射损伤比较灵敏 , 受到强辐射其性能将变差。 体电流密度 /I V

V: 体积 (cm3) ， : 粒子流 ( 粒子 /cm2) ，对最小电离的质子和 π介子 : ＝ 2×10 － 17A/cm

12

pitch

Single Sided Strip Detector

using n-type silicon with a resistivity ofρ = 2 KΩcm results in a depletion voltage ~ 150 V

Resolution σ depends on the pitch p (distance from strip to strip)

typical pitch values are 20 µm– 150 µm ⇒ 50 µm pitch results in 14.4 µm resolution.

300

m

Double sided silicon detectorsSiO2

Al

硅微条探测器硅微条探测器

Silicon strip detector

二、硅漂移室（ 二、硅漂移室（ Silicon Drift detectorSilicon Drift detector ））硅漂移室是在硅漂移室是在 nn 型的硅片的两个表面型的硅片的两个表面 ,, 注注入杂质硼形成重搀杂入杂质硼形成重搀杂 pp++条条 ,, 中间是一层未中间是一层未耗尽区耗尽区 ,, 在边缘形成一个在边缘形成一个 nn++ 微条与中间未微条与中间未耗尽区耗尽区相连相连 ,, 当外加一定负偏压后当外加一定负偏压后 ,, 使整个使整个硅片实现全耗尽。硅片实现全耗尽。硅片内部的电位分布硅片内部的电位分布 ,,在在 zz方向成为抛物方向成为抛物线型线型 ,, 中心的电位最低中心的电位最低 ,, 而靠近两个表面的而靠近两个表面的部位部位最高。在水平方向最高。在水平方向 , , 靠近正极靠近正极 n+n+ 电位最低电位最低 ,, 远离远离 n+n+ 方向的电位高。方向的电位高。

当带电粒子穿过探测器时产生电子空穴对当带电粒子穿过探测器时产生电子空穴对 ,, 电子沿电场的水平方向分量电子沿电场的水平方向分量向正极微条向正极微条 nn++ 漂移漂移 ,, 形成电信号。信号经前端电子学电路放大形成电信号。信号经前端电子学电路放大 ,, 数字化读数字化读入计算机。通过测量电子的漂移时间入计算机。通过测量电子的漂移时间 (( 从某一个被击中的从某一个被击中的 pp++ 微条到正极微条到正极 nn++

微条微条 )) 及被分割开的及被分割开的 nn++ 读出微条上的坐标就得到入射粒子的位置信息。读出微条上的坐标就得到入射粒子的位置信息。电子在耗尽区漂移很长距离才到达面积很小的正电极电子在耗尽区漂移很长距离才到达面积很小的正电极 ,, 电极之间的电容电极之间的电容很小很小 ,, 因此噪声减小因此噪声减小 ,, 有利于提高能量分辨率。普通的半导体探测器的计有利于提高能量分辨率。普通的半导体探测器的计数率一般在几十数率一般在几十 kHzkHz 以下以下 ,, 硅漂移室由于其电容小硅漂移室由于其电容小 ,, 相应的脉冲成形时间相应的脉冲成形时间很短，允许计数率比一般的半导体探测器高几十倍。它的时间分辨可小于很短，允许计数率比一般的半导体探测器高几十倍。它的时间分辨可小于1ns, 1ns, 并且它有两维的位置分辨并且它有两维的位置分辨 , , 其中沿漂移方向的位置分辨率可达到几个其中沿漂移方向的位置分辨率可达到几个µmµm 。它也常用作为能量测量。。它也常用作为能量测量。

硅漂移室硅漂移室结构可分为几种类型结构可分为几种类型 : ①: ① 一维读出型一维读出型②②阳极被分割的两维读出型 ③圆型 阳极被分割的两维读出型 ③圆型 ④ ④ 多单元阵列型 ⑤ 可控型多单元阵列型 ⑤ 可控型

三、像素探测器（ Pixel Detector ）

P ixelP ixel 是由许多精心设计非常小的是由许多精心设计非常小的 PN PN 结组成的结组成的 , , 它能够非常快地提供它能够非常快地提供两维信息。每一个小室两维信息。每一个小室 (cell) (cell) 都连接它自己的读出电子学。像素探测器具都连接它自己的读出电子学。像素探测器具有非常好的位置分辨率有非常好的位置分辨率 , , 在每单位面积上需要大量的电子学路数。像素探在每单位面积上需要大量的电子学路数。像素探测器的像素有的采用简单的测器的像素有的采用简单的 PN PN 结型二极管和光电二极管结型二极管和光电二极管 , , 有的采用有的采用 PINPIN 光光敏二极管和耗尽型场效应晶体管敏二极管和耗尽型场效应晶体管 , , 还有的采用小型硅漂移室单元和还有的采用小型硅漂移室单元和 CMOS CMOS 器件单元等器件单元等 , , 它们各自有不同的优缺点它们各自有不同的优缺点 , , 各有不同的用途。各有不同的用途。

Pixel Detector 探测器每个像素和电

子学集成在相同的基片上叫单一型像素探测器。

把像素探测器及前端把像素探测器及前端 电子建立在不同的基电子建立在不同的基 片上，然后对应的连片上，然后对应的连 接起来叫接起来叫混合像素探混合像素探 测器。测器。

每个像素和它对应的读出电子学的连接有两种方法每个像素和它对应的读出电子学的连接有两种方法 : : 一种是用倒装片技术。一种是用倒装片技术。另外一种是使用双层金属另外一种是使用双层金属 , , 即每个像素和对应的电子学即每个像素和对应的电子学 ,,通过在探测器边缘通过在探测器边缘的焊片连接。的焊片连接。

四、电荷耦合器件探测器四、电荷耦合器件探测器 CCDCCD• CCD 已经使用几十年了 , 过去多用在光测量和摄像机上 , 即使在高

能物理中的应用 , 也是作为火花室和流光室的径迹图像记录。• 近些年科学家们已直接把它用作高能物理探测器 , 如 SLD VXD3 探

测器 , 采用 96CCD’S ×3.2 ×108 = 3.07 ×108 个像素 (20m×20m) 每个 CCD 读出通过 4 个输出结 , 8 位 FADC, 全部读出时间是 200ms 。

• 日本 KEK 计划用它来作为未来实验的顶点探测器 , 位置分辨率设计为 2m 。

• CCD 作为粒子探测器 , 探测的不再是光 , 而是带电粒子 , 所以它的结构也有些变化。当带电粒子射入探测器时 , 产生电子空穴对 , 电荷传输在 CCD 很薄的耗尽区内进行。

• CCD 的结构是在一块硅片上集成很多的 MOS(金属－氧化物－半导体 ) 器件，如在 Si 上生成一层 SiO2 绝缘层，上面再沉积一层金属 Pb ，每个 MOS 器件类似一个小半导体探测器。

• 现代的 CCD 有线型的 , 还有面型的 ; 从原理结构上分有 pn-CCD, 也有 CMOS 型的。

PN 结 CCD 结构图

MOS CCD 的结构图

双相 CCD 的结构

CCD 的工作原理 CCD 的单元很小，只有几个 m2, 间距 3 － 5m ，相邻单元加

不同电压时会使它们收集的电荷相互转移，加一组三重周期性变化的驱动脉冲电压，使电荷定向移向边缘的信号输出电极。因为信号输出电极及读出电子学路数都少，因此这种探测器的信号读出比较慢。 CCD 的灵敏度较低，只有达到 103 电子 /单元的电荷才能被记录，故常要与多级微通道倍增器组合使用。

CCD (Charge Coupled Device)

§5-5 半导体探测器的应用一、优点：• 能量线性好。• 能量分辨高。 如对 5.3MeV 粒子，能量分辨 E=10.8KeV(0.2%) ，超过电离室； 对 1.33MeV 射线，能量分辨 E=1.3KeV(0.13%)超过 NaI(Tl) ； 对 5.9KeVx 射线，能量分辨 E=150eV(1.4%) ，超过正比计数器。• 时间响应快，时间分辨好。脉冲上升时间短， ns 量级，可用于时

间和快符合测量。• 窗薄，死层小。可用于测量重带电粒子、核裂片和低能电子及 X 射

线。• 灵敏区厚度可调。• 结构简单、体积小，重量轻。易制成各种形状，满足多种要求。• 对磁场 (B<10KG) 不灵敏。宜于磁谱仪和加速器中使用。

二、缺点：• 灵敏体积不够大。包括面积和灵敏区厚度，

测量高能粒子有困难。• 输出信号幅度小。常需要在低温下工作，要求较高的电子学线路和低温装置。

• 对温度敏感。• 抗辐照性能差。

三、使用技术•根据被测粒子的种类、能量、使用条件和所要解决的问题，选择半导体探测器的类型、面积和灵敏区的厚度。•选择合适的工作电压。一般说工作电压高了，漏电流大，高频噪声大，且电压过高易造成探测器击穿，但脉冲上升时间快，能量分辨好。工作电压太低，结电容大，低频噪声大。应选取合适的工作电压。注意电压极性不能接错，半导体探测器工作在反向偏置状态。•低温干燥保存和使用。如面垒型存放在干燥皿中，锂漂移型要低温下加一定反向偏压保存， Ge(Li)必须在液氮温度下工作。•保护探测器的窗。窗很薄，使用时必须小心，不用时加盖保护罩。•加盖不透光的防护罩。半导体探测器对光灵敏，特别是金硅面垒型。•为了降低噪声，作能谱测量的 Si(Li)和 Ge(li) 探测器必须使用真空低温装置。•防止计数率过载。高计数率会造成基线漂移，使谱形畸变，能量分辨率变差。•电子学仪器要预热。高精度能谱测量，为防止多道的道漂，多道要预热，必要时应使用稳谱仪稳谱。

四、半导体探测器在高能物理实验中的应用四、半导体探测器在高能物理实验中的应用• 因为硅微条等新型半导体探测器的位置分辨率比气体探

测器、闪烁探测器的位置分辨率高一到两个数量级 , 所以在近十几年来 , 世界各大高能物理实验室都采用它作为顶点探测器。如美国的 FERMI LAB 的 CDF 和 D0 实验 , SLAC实验室的 B 介子工厂的 BaBar 实验 , 欧洲高能物理中心 CERN 的 LEP正负电子对撞机上的 L 3、ALEPH、 DELPHI、 OPAL 和正在建造的质子－质子对撞机 LHC的 ATLAS 、 CMS及日本高能物理实验室KEK, 德国的 HARA、 HARAB实验等全采用了它。

• LHC的 ATLAS 、 CMS采用硅微条探测器代替漂移室作径迹测量。

1. D0顶点探测器

美国费米实验室D0实验采用硅微条探测器作顶点探测器。为了增大覆盖立体角 , 除了桶部设计得比较长外 , 还设计了H－DISK

和F－DISK。这个顶点探测器所用的硅微条探测器都是用交流耦合输出的 , 其桶部是采用单边读出的硅微条探测器 , 而H－

DISK 和F－DISK部分是采用双边读出的硅微条探测器。读出电子学都是采用集成电路SVXIIb, 每一片SVXIIb就有128 路读出。

H－ Disk

F－ Disk

桶部

The purpose of the SVT is to extend STAR tracking to the lowest achievable momentum and to identify short lived particles decaying before they reach the inner layers of the TPC. It consists of 216 SDD, arranged in three barrels around the beampipe at radii of ~6.9cm,10.8cm and 14.5cm from the intersection point.The active length in beam direction is 25.2, 37.8 and 44.4cm Position resolutions of 20 m, dE/dx with a resolution 7% .

2. STAR Silicon Vertex Tracker

Inner Detector Upgrades

TPC – Time Projection Chamber(main tracking detector in STAR)

HFT – Heavy Flavor Tracker SSD – Silicon Strip Detector

r = 22 cm IST – Inner Silicon Tracker

r = 14 cm PXL – Pixel Detector

r = 2.5, 8 cm

We track inward from the TPC with graded resolution:

TPC SSD IST PXL~1mm ~300µm ~250µm vertex<30µm

PXL Detector

Ladder with 10 MAPS sensors (~ 2×2 cm each)

MAPSRDObuffers/drivers

4-layer kapton cable with aluminium traces

2 layers: 2.5,8 cm10 sectors1+3 ladders/ sector

Mechanical support with kinematic mounts

Some PXL Parameters

Layers Layer 1 at 2.5 cm radiusLayer 2 at 8 cm radius

Pixel patch size 18.4 m X 18.4 m

Hit resolution 10 m rms

Position stability 6 m rms (20 m envelope)

Radiation thickness per layer

X/X0 = 0.37%

Integration time (affects pileup)

200 s

Number of pixels 0.2 ms 436 M

Radiation tolerance 300 kRad

Rapid detector replacement

< 8 Hours

criticalanddifficult

more than a factor of 2 better than other vertex detectors (ATLAS, ALICE and PHENIX)

LHC ATLAS

采用硅微条探测器代替漂移室作径迹测量。

4 、

采用像素探测器作顶点探测器

ATLAS 半导体径迹探测器 SCT

ATLAS像素探测器

5. CMS 硅微条径迹探测器• 圆柱型径迹探测器由桶部和端盖两部分组成。

• 桶部探测器有 10层。• 端盖有 2 个，每个由 9块圆盘组成 7 个环。

• 每个圆盘 2边各装 8 个楔型“花瓣”，共 288个 8 种。

CMS 硅微条径迹探测器

• 每个花瓣安装 17－ 28个不等的硅探测器

五、在空间物理和宇宙线实验中的应用五、在空间物理和宇宙线实验中的应用 1. AMS (2011.5.16) 丁肇中先生领导的 AMS组 , 计划

把磁谱仪 AMS(Alpha Magnetic Spectromenter) 送到国际空间站ISSA (International Space Station Alpha), 在宇宙线中寻找反物质和暗物质。 AMS 的中间核心部分的多层径迹室都是采用双边读出的硅微条探测器。谱仪的体积不大 (直径和高才 1m多 ) , 但这些精密的径迹探测器与谱仪中的永久磁铁、飞行时间计数器、契伦科夫探测器、量能器等紧密配合 , 可能会为天体物理和宇宙线科学作出非常卓越的贡献。

AMS核心部分是 6层双边读出的硅微条探测器，放在磁场中记录穿过它的带电粒子的动量、速度、电荷及位置，从而鉴别出粒子的种类。硅微条径迹探测器的位置测量精度在偏转方向为 10m ，在非偏转方向为 30 m ，这样的精度是前所未有的。 这些精密的径迹探测器与谱仪中的永久磁铁、飞行时间探测器、切伦科夫探测器、量能器等紧密配合，希望在宇宙线中寻找反物质和暗物质。

2. 2. 大面积大面积射线太空望远镜射线太空望远镜GLASTGLAST

GGamma-ray amma-ray LLarge arge AArea rea SSpace pace TTelescopeelescope 由美国 NASA 和能源部支持及法国、意大利、日本、瑞典等参加的 GLAST 实验组 ,

为了研究宇宙中能量在 20 －300 GeV 的射线等 , 研制了GLAST ，其核心部分使用了多层硅微条探测器 , 总面积大于 80m2, 共 130 多万路读出。主要用来作为 →e-+e+

的对转换过程的径迹测量望远镜。

六、在核医学中的应用六、在核医学中的应用

19961996 －－ 19991999核医学领域核医学领域应用各种探测器的统计概况应用各种探测器的统计概况

要直接从图像中分辨出恶性要直接从图像中分辨出恶性细胞和正常细胞的差异，要细胞和正常细胞的差异，要求探测器的空间分辨达到求探测器的空间分辨达到mm 量级。目前只有硅微条量级。目前只有硅微条探测器、像素探测器、探测器、像素探测器、 CCDCCD等半导体探测器才能达到。等半导体探测器才能达到。硅微条探测器的点位置分辨硅微条探测器的点位置分辨＝＝ 1.25 1.25 mm 。。

硅微条硅微条 XX 光扫描系统及用该系统获得的鼠头颅像光扫描系统及用该系统获得的鼠头颅像

小结小结半导体探测器有突出的优点：1 ）非常好的位置分辨率； 2 ）很高的能量分辨率；3 ）很宽的线性范围； 4 ）非常快的响应时间。• 因以上优点，半导体探测器在粒子物理与核物理实验中得

到广泛应用，在天体物理、宇宙线科学、核医学数字成像技术等领域的应用也迅速发展。

• 半导体探测器的种类很多，但大多数是基于加反向偏压的PN 结。

• 探测器的灵敏区就是结型探测器的势垒区或锂漂移型探测器的补偿区，其中载流子浓度极低，电阻率很高，电场强度很大。灵敏区厚度确定了能探测粒子的最大能量。

• 面垒型探测器的结电容较大，随工作电压和温度变化，故需要使用电荷灵敏放大器。

• 必须小心保存和使用。