半导体探测器

上述各种γ射线探测器均须在低温下工作。人们日益注意探索可在常温下探测γ射线的半导体材料。一些原子序数较大的化合物半导体，如碲化镉、砷化镓、碘化汞、硒化镉等，均已用于制备X、γ射线探测器,并已取得不同程度的进展。

半导体探测器的前身可以认为是晶体计数器 。早在1926年就有人发现某些固体电介质在核辐射下产生电导现象。后来，相继出现了氯化银、金刚石等晶体计数器。但是，由于无法克服晶体的极化效应问题，迄今为止只有金刚石探测器可以达到实用水平。半导体探测器发现较晚，1949年开始有人用α 粒子照射锗半导体点接触型二极管时发现有电脉冲输出。到1958年才出现第一个金硅面垒型探测器。直至60年代初，锂漂移型探测器研制成功后，半导体探测器才得到迅速的发展和广泛应用。

随着科学技术不断发展需要 ，科学家们在锗锂Ge(Li)、硅锂Si(Li)、高纯锗HPGe、金属面垒型等探测器的基础上研制出许多新型的半导体探测器，如硅微条、Pixel、CCD、硅漂移室等，并广泛应用在高能物理、天体物理、工业、安全检测、核医学、X光成像、军事等各个领域。世界各大高能物理实验室几乎都采用半导体探测器作为顶点探测器。美国费米实验室的CDF和D0，SLAC的B介子工厂的BaBar实验，西欧高能物理中心（CERN）LEP上的L3，ALEPH，DELPHI，OPAL，正在建造的质子-质子对撞机LHC上的ATLAS，CMS及日本的KEK，德国的HARA、HARB及Zeus等。ATLAS和CMS还采用了硅微条探测器代替漂移室作为径迹测量的径迹室。近些年高能物理领域所有新的物理成果，无不与这些高精度的具有优良性能的先进探测器密切相关。

半导体探测器的基本原理是带电粒子在半导体探测器的灵敏体积内产生电子－空穴对，电子－空穴对在外电场的作用下漂移而输出信号 。

我们把气体探测器中的电子－离子对、闪烁探测器中被 PMT第一打拿极收集的电子 及半导体探测器中的电子－空穴对统称为探测器的信息载流子。产生每个信息载流子的平均能量分别为30eV(气体探测器)，300eV(闪烁探测器)和3eV(半导体探测器)。

1) 能量分辨率最佳 ；

2) γ射线探测效率较高，可与闪烁探测器相比。

常用半导体探测器有：

(1) P-N结型半导体探测器；

(2) 锂漂移型半导体探测器；

(3) 高纯锗半导体探测器；

丁肈中领导的AMS实验，目标是在宇宙线中寻找反物质和暗物质。它的探测器核心部分的径迹室采用了多层硅微条探测器。由美国、法国、意大利、日本、瑞典等参加的GLAST实验组的大面积γ射线太空望远镜的核心部分也使用了多层硅微条探测器，总面积大于80平方米，主要用来作为γ→ e- e 的对转换过程的径迹测量望远镜。硅微条探测器的位置分辨率可好于σ=1.4μm，这是任何气体探测器和闪烁探测器很难作到的。

半导体探测器工作原理

多数载流子扩散，空间电荷形成内电场并形成结区。结区内存在着势垒，结区又称为势垒区。势垒区内为耗尽层，无载流子存在，实现高电阻率，远高于本征电阻率 。

在P-N结上加反向电压，由于结区电阻率很高，电位差几乎都降在结区。

反向电压形成的电场与内电场方向一致。

在外加反向电压时的反向电流：

少子的扩散电流，结区面积不变，I_S 不变；

结区体积加大，热运动产生电子空穴多，I_G 增大；

反向电压产生漏电流 IL ，主要是表面漏电流。

半导体探测器P-N结半导体探测器的类型

扩散结(Diffused Junction)型探测器

采用扩散工艺——高温扩散或离子注入 ；材料一般选用P型高阻硅，电阻率为1000；在电极引出时一定要保证为欧姆接触，以防止形成另外的结。

金硅面垒(Surface Barrier)探测器

一般用N型高阻硅，表面蒸金50～100μg/cm² 氧化形成P型硅，而形成P-N结。工艺成熟、简单、价廉。

半导体探测器存在的矛盾

由于一般半导体材料的杂质浓度和外加高压的限制，耗尽层厚度为1～2mm。 对强穿透能力的辐射而言，探测效率受很大的局限。

半导体探测器简介

为了探测穿透能力较强的γ射线，要求探测器有更大的灵敏区。这种效果通常是使锂漂移进入P型半导体材料,进行补偿而获得。由于锗比硅对γ射线有更高的探测效率，故一般采用锗（锂）漂移探测器。这种探测器的灵敏体积可大于200厘米3。但是,由于其死层较厚，故在探测较低能量的X射线时,往往采用硅（锂）漂移探测器。锂漂移型探测器的另一个特点，是当它被用来探测X及γ射线时必须保持在低温(77K)和真空中工作。

半导体探测器工作原理

空间电荷分布、电场分布及电位分布

I区为完全补偿区，呈电中性为均匀电场；

I区为耗尽层，电阻率可达10¹⁰Ωcm；

I区厚度可达10～20mm，为灵敏体积。

半导体探测器工作条件

为了降低探测器本身的噪声和FET的噪声，同时为降低探测器的表面漏电流，锂漂移探测器和场效应管FET都置于真空低温的容器内，工作于液氮温度(77K) 。

对Ge(Li)探测器，由于锂在锗中的迁移率较高，须保持在低温下，以防止Li Ga-离子对 离解，使Li 沉积而破坏原来的补偿； 对Si(Li)探测器，由于锂在硅中的迁移率较低，在常温下保存而无永久性的损伤。

半导体探测器存在问题

Li漂移探测器的问题：低温下保存代价很高；漂移的生产周期很长，约30～60天。

半导体探测器简介

随着锗半导体材料提纯技术的进展，已可直接用超纯锗材料制备辐射探测器。它具有工艺简单、制造周期短和可在室温下保存等优点。用超纯锗材料还便于制成X、γ射线探测器,既可做成很大灵敏体积，又有很薄的死层,可同时用来探测X和γ射线。高纯锗探测器发展很快，有逐渐取代锗。

半导体探测器工作原理

采用高纯度的 P型Ge单晶，一端表面通过蒸发扩散或加速器离子注入施主杂质(如磷或锂)形成 N区 和 N ，并形成P-N结。另一端蒸金属形成 P ，并作为入射窗。两端引出电极。

因为杂质浓度极低，相应的电阻率很高。空间电荷密度很小，P区的耗尽层厚度大。

半导体探测器高纯锗探测器的特点

1) P区存在空间电荷，HPGe半导体探测器是PN结型探测器 。

2) P区为非均匀电场。

3) P区为灵敏体积，其厚度与外加电压有关，一般工作于全耗尽状态。

4) HPGe半导体探测器可在常温下保存，低温下工作。

金属和合金的微观分析金属和合金的微观分析X 射线能谱分析的一个较大弱点是尚不能分析原子序数为11(Na)以下的轻元素，因为这些元素的标识X射线波长较长,容易为半导体探测器上的铍窗所吸收。正在试制无铍窗及薄铍窗的探测器，目的是检测碳、氮、氧等轻元素。

电子能量损失谱(electron energy loss spectro-scopy,简写为EELS) 能量为的入射电子与试样中原子的非弹性碰撞使后者电离而处于较高能量的激发态（图2a中是K激发态、能量为）,入射电子损失的能量为 ,为二次电子的逸出功。由此可见，对于不同元素，电子能量损失有不同的特征值。使透射电子显微镜中的成像电子经过一个静电或电磁能量分析器，按电子能量不同分散开来。除了有一个很强的无能量损失的弹性电子能量峰外，还会出现一些与试样中各元素相对应的较弱的具有特征能量损失的峰。尽管这些峰不很明锐（较好的水平是2～3eV），定量分析还存在一定困难，但是由于它有下列两个显著优点而在透射电子显微术中逐渐得到广泛应用：一是可以分析B、C、N、O等轻元素；二是将电子束聚焦到几十埃就可以测出微小区域的组成。显然,入射电子由于产生标识X射线而损失一定能量（图2a、b）,可见电子能量损失谱和X射线能谱有着密切关系。

俄歇电子谱 图2中所描述的K电子复位所释放出来的能量-，除了产生K辐射这种可能性外，还有一种可能性是继续产生电离，使另一核外电子脱离原子变成二次电子。如->,这就有可能使L、L、M、N层以及导带V上的电子逸出,产生相应的电子空位(图2c），图2c中的二次电子称为KLL电子,它的能量等于－－－（为电子逸出功），因此也有固定值，随元素不同而异。这种具有特殊能量的电子是俄歇(Auger)首先发现的,称为俄歇电子。既然俄歇电子有特征能量值，因此也可以利用来进行元素分析，称为俄歇电子谱(Auger electron spectroscopy，简写为AES)。俄歇电子的能量很低，一般是几百电子伏，因此其平均自由程非常短，一般小于10┱。大于这个距离,俄歇电子就要损失能量，不再有特征能量值；即具有特征能量的俄歇电子的来源仅限于表面二、三层原子。因此，俄歇电子谱绘出的是表面二、三个原子层的成分，用离子枪逐层剥离表面上的原子层，还可以分析几十到几千埃深度内的成分变化。轻元素的荧光（X射线）产额低而俄歇电子产额高，因此俄歇电子谱宜于用来检测表面或界面上的轻元素。但俄歇电子的信号是很微弱的，需要用灵敏度高的镜筒（能量）分析器及锁定放大器将它挑选并检测出来,这是俄歇谱仪的关键部件；此外,试样还需要在超高真空中制备，以免表面上吸附气体分子造成不真实的分析结果。图5是一种铬钼钒钢在具有回火脆性状态下晶界断口的俄歇电子谱,磷峰很明显,相当于晶界上单原子中有8%是磷原子。用离子枪从断口表面剥离几个原子层后，磷峰即迅速减弱，说明在具有回火脆性的钢中磷在晶界的偏析也仅是几个原子层, 但浓度很高, 这是产生沿晶界脆断的原因。除了界面偏析外，俄歇电子谱仪还可以用来研究金属与合金的氧化、腐蚀、催化作用等表面化学反应。将电子束聚焦到微米量级并在试样上扫描，配上俄歇电子谱仪进行成分分析,就构成一台扫描俄歇电子谱仪,它可以检测出表面和界面上化学成分的变化，并可显示出组成元素的二维分布，因而也称为扫描俄歇显微镜（scanning Auger microscope,简写为SAM）。

金属和合金的微观分析电子能谱化学分析(electron spectroscopy for chemical analysis,简写为ESCA) 是用光子或X射线光子（如Al的K或Mg的K）照射试样，使其中的原子电离产生光电子。这种电子有特征能量，一般在20～1500eV之间， 可以用来分析4～20┱厚的表面成分。X射线光子不能聚焦，因此试样上的照射面积比较大，不能象俄歇电子谱那样分析微区的表面成分；但是，由于电子的结合能与元素的价态有关，因此这种电子谱可以给出表面原子的化学结合状态（键），因此称为电子能谱化学分析。这对于研究金属与合金的氧化、腐蚀、催化作用等也是很有利的。将电子能谱化学分析仪，俄歇电子谱仪，二次离子质谱仪等表面分析仪器组合在一起，便成为多功能表面分析仪。

低能电子衍射只反映表面几层原子的分布，也就是表面的二维晶体结构。低能电子衍射与俄歇电子谱结合在一起是研究晶体表面结构和成分的有力工具。

场离子显微镜(fieldion micro-scope，简写为FIM) 是结构简单而放大率可达几百万倍的显微镜,其原理是利用施加到试样上的高压,在试样尖端处（曲率半径为几百埃）产生强电场使附近的惰性气体原子电离，射向荧光屏产生试样的场离子象，其放大倍数由投影距离和试样尖端半径之比确定。图6是钨的场离子象,反映试样尖端的原子排列,图像中的亮点是表面上处于凸出位置的原子。原子在一些平行的原子平面上排列，形成许多台阶，这里场强最大，容易产生气体离子并成像，因此比较容易观察到原子平面边缘处的一圈一圈的原子。但是在一些原子排列稀疏的平面上，可以观察到整个原子平面上诸原子的规则排列。由此可见，场离子显微镜是研究空位等晶体缺陷及固体表面结构的重要手段。场离子显微镜的缺点是试样难于制备，并且要观察大量试样才能得到要观察的视场。

金属和合金的微观分析原子探针 将场离子显微镜配上飞行时间质谱仪，以测定表面上原子的种类与数量，就构成一台原子探针(atom probe, 简写为AP)。除原来施加在试样上的高压外，再利用短时间（几微秒）的脉冲电压使试样尖端表面上的原子电离和蒸发并离开表面飞向检测器，由它将飞来的离子逐个地接收记录下来，不同离子的质量与电荷比不同，达到检测器的飞行时间也不同，据此可以鉴定原子类型及数量。此外，还可将试样尖端各种原子的分布图象直观地显示在荧光屏上,图7是金属钼中M o离子及O离子的图像。从钼离子图像可以看出在这个视场内有三个晶粒形成的一个三重结点晶界;而氧离子图象说明晶界处有氧的富集,这可能就是钼变脆的原因。此外，还可以在原子探针内将试样表面的原子逐层剥除，研究金属表层内的成分在垂直表面方向的变化。

金属和合金的微观分析离子探针 用能量为1～30keV 的一次离子束轰击试样表面，也可以使表面原子电离变成离子溅出，用双聚焦质谱仪检测并分析这种二次离子就可以得出试样表面4～20┱的成分及其随深度的变化，这就是二次离子质谱(secondary ion mass spectroscopy,简写为SIMS)。如果将一次离子束聚焦到1m 甚至更小，并令其在试样上扫描，就可以得到表面上定点的微区成分分析或二维的成分图像。这种微束二次离子质谱仪称为离子探针(ion micro-prooe)。二次离子质谱的特点是:①可以分析包括氢在内的各种同位素，如用离子探针检测出钢中夹杂物内吸附有氢,以及氢在钛的晶界上的偏聚;②灵敏度极高(10%),可以分析半导体中的杂质及注入元素的深度分析;③可以进行同位素的丰度分析。缺点是图谱比较复杂,不易辨识, 最好与其他分析手段结合在一起使用。为了表面及深度分析，又常使用大焦斑 (≥100m)的一次离子束。如果使一次离子束在试样表面扫描,可直接得到离子束照射范围内的二次离子象，得出有关原子分布的信息。这种离子探针也称为离子显微镜(ion microscope)。（见彩图)

金属和合金的微观分析2100433B