南华大学《核辐射探测学》教学课件 第四章 半导体探测器
第四章 半导体探测器,第一节 半导体基本知识和半导体探测器的工作原理,一、半导体的基本知识（简述） 半导体通常以晶体形式存在，且分为单晶和多晶。单晶半导体为晶格结构，晶体中电子能级可以用能带理论描述。半导体探测器多是用单晶半导体材料制作。,1.本征半导体 不含杂质的半导体称为本征半导体。 本征半导体材料在无外界作用时， 在室温下也会由于热激发而 有电子由满带跃迁到导带（因为它的禁带较窄），在满带留下空穴。电子和空穴统称为载流子，本征半导体中热激发产生的载流子称为本征载流子。,0.1eVEg2.2eV半导体能带图,2019/1/14,南华大学核辐射探测学 授课老师：屈国普,1,用ni表示：ni电子数目空穴数目 ni与半导体材料的绝对温度T和禁带宽度Eg有关。固体物理已证明，本征半导体内本征载流子的平衡浓度为,对常用的本征Ge半导体和本征Si半导体： Ge： Si：,式中U与T无关而与半导体材料特性有关的常数。 K玻尔兹曼常数。,2019/1/14,南华大学核辐射探测学 授课老师：屈国普,2,可以计算出室温下（T300K或 25）,2.P型和N型半导体 完全纯的半导体是很难找到的,由以上可知本征半导体的平衡载流子数目较小,其导电性能较差.所以人们常利用在本征半导体材料中有意地加入适量的杂质,使电子浓度或空穴浓度增加,使半导体材料的导电性能提高了。 电子浓度增加的半导体称为电子型或N型半导体。 空穴浓度增加的半导体称为空穴型或P型半导体。 两种半导体中掺的杂质分别称为施主杂质(N型)和受主杂质(P型),2019/1/14,南华大学核辐射探测学 授课老师：屈国普,3,以Si为例来说明P型和N型半导体（掺B和P）。 在硅中掺入磷成为N型Si： 硅（Si）有4个价电子 磷（P）有5个价电子,P原子占据一个晶格位置，与Si形成4个共价键，余下的P的第5个价电子与原子结合的不紧密。只要有0.05eV的能量就可使它脱离原来核束缚而成为自由电子到导带。余下的P+离子仍束缚在晶格中（但不会运动）。P杂质显然可以提供电子称为施主杂质。杂质处于离化状态。 若P的浓度1ppm(10-6),Si的原子密度约1022cm-3,所以电子密度1016cm-3,多数载流子为电子。,E1,E2,施主杂质能级在禁带中靠近导带底部（E1）,2019/1/14,南华大学核辐射探测学 授课老师：屈国普,4,又如Si中掺B，形成P型Si。 硅有4个价电子 硼有3个价电子,B与Si形成的共价键不饱和，这个空位相当于正常价电子被激发到导带时留下的空穴，临近的Si的一个价电子被捕获来填充这个空位参加到一个共价键中，从而在满带留下许多空穴，这相当于杂质提供了空穴。这种杂质称为受主杂质。其电子能级接近禁带底部。 若掺B浓度1ppm,则空穴密度1016cm-3。空穴为多数载流子，电子为少数载流子，密度分别用P和n表示。,受主杂质能级在禁带中靠近满带顶部（E2）,2019/1/14,南华大学核辐射探测学 授课老师：屈国普,5,二.载流子的特性和运动规律 在半导体探测器中载流子(电子,空穴)所起的作用同气体探测器中正离子和电子所起的作用是完全类似的.为了说明半导体探测器的特性,首先对载流子的特性及运动规律有基本的了解.,a)载流子的密度 在半导体理论中,可以证明: 电子密度: 空穴密度: Cn,Cp与禁带内能级分布无关的常数，仅与半导体材料有关。,1.载流子的密度和补偿效应,2019/1/14,南华大学核辐射探测学 授课老师：屈国普,6,显然，上式表明半导体中两种载流子的密度之积只决定于禁带宽度及温度等，与所引入的杂质无关。所以相同温度下，本征半导体的相等的两种载流子密度之积 应与杂质半导体在各种掺杂情况下（非重掺杂）的二种载流子密度或浓度之积相等。,2019/1/14,南华大学核辐射探测学 授课老师：屈国普,7,b)补偿效应 设N型半导体，其np。若设法在该N型半导体中再引入受主杂质，使空穴浓度p增加。由上式，当T不变时， np=常数，必定同时使n减少。只要引入的受主杂质足够多，就可使pn甚至pn，使原来的N型转化为P型。同理，可以使P型转化为N型。这就叫补偿效应。 显然，只要小心地控制掺入的杂质原子数，可能恰好使n=p=ni,这时半导体虽然含有不少杂质，但其载流子浓度和本征半导体一样，这叫做“实现了完全补偿”。 实际上，补偿效应中施主杂质原子的电子未进入导带而填到了受主杂质能级上。完全补偿时，恰好全部施主原子的,2019/1/14,南华大学核辐射探测学 授课老师：屈国普,8,电子填满了全部受主能级。所以这时导带中的电子及满带中的空穴仍由热激发产生而与杂质无关。,当 时，该式不再严格成立。当 时，w不随增加而增加而达到饱和。,2、载流子的迁移率和半导体的电阻率,a). 载流子的迁移率 与气体中电子、正离子的运动情况类似，半导体中的电子、空穴在电场作用下将在原来杂乱运动上叠加一项定向运动漂移运动。,实验证明，当电场强度 时，载流子的漂移速度 ，其比例系数称做迁移率（），而,2019/1/14,南华大学核辐射探测学 授课老师：屈国普,9,与气体中电子、正离子的情况不同之处是电子和空穴的迁移率相差不大漂移速度也相差不大。,在液氮温度下（T=77),例如室温下（T300）,2019/1/14,南华大学核辐射探测学 授课老师：屈国普,10,b).半导体的电阻率 设在半导体上加电场，电子和空穴的在电场作用下作漂移运动，则在半导体内垂直于电场方向的单位截面积上单位时间内流过的电子数和空穴数分别为nwn和pwp。单位为,由电阻率的定义：一块截面积为s,长为l的材料的电阻 和欧姆定律 (材料两端加电压V，流过电 流I），而,因为单位时间内流过单位截面积的电荷量就是电流密度j,则,2019/1/14,南华大学核辐射探测学 授课老师：屈国普,11,则 所以,N型半导体中，由于np, P型半导体中，由于pn,通过补偿效应可以提高掺杂半导体的电阻率。 当完全补偿时，掺杂半导体的电阻率本征半导体的电阻率。,2019/1/14,南华大学核辐射探测学 授课老师：屈国普,12,半导体探测器两极间的灵敏区的电阻率高时，外加电场才能加到灵敏区，在灵敏区形成一个足够强的电场，而几乎没有漏电流流过。所以半导体探测器灵敏区制成PN结或补偿区。,3. 载流子的复合和俘获（陷阱效应） 半导体探测器中的杂体能级在禁带中，载流子在运动过程中，电子可能会直接陷入满带填满一个空穴，这就是复合。复合使电子和空穴都消失了。 电子和空穴运动过程中也可能陷落到杂质能级而被俘获，也会被杂质能级释放。载流子不断地陷落和释放，会达到动态平衡。 载流子从产生到被俘获或复合之间的平均时间间隔为载流子的寿命，半导体材料纯度越高， 越大，最大可达到1ms量级。,2019/1/14,南华大学核辐射探测学 授课老师：屈国普,13,三、半导体探测器的基本原理,带电粒子进入探测器灵敏区后由于与半导体材料的相互作用损失的能量使电子由满带跳到导带，在满带留下空穴，形成电子空穴对，在电场作用下，电子和空穴分别向两极漂移，在输出回路形成电信号。,由以上讨论的电子和空穴的漂移速度可知，对于1cm量级的半导体探测器，电子和空穴的收集时间 数量级，若载流子的寿命 ，则由入射核辐射产生的电子和空穴基本上能全部被收集。,若入射带电粒子在灵敏区损失能量为E，则产生初电离的电子空穴对数为：,2019/1/14,南华大学核辐射探测学 授课老师：屈国普,14,上式中w为半导体材料的平均电离能。室温下（300）Si和Ge的平均电离能分别为3.62eV和2.80eV.而在液氮温度下（77）分别为3.76eV和2.96eV。 如果带电粒子的能量E0全部损失到灵敏区，则通过测脉冲幅度就可以确定带电粒子的能量。,2019/1/14,南华大学核辐射探测学 授课老师：屈国普,15,一、PN结的形成 PN结型半导体探测器是通过适当的特殊技术把掺有均匀杂质浓度的P型与N型半导体材料热力学接触而制成的探测元件。形成PN结的方法目前常用的有两种：一是离子注入法，即用加速器加速杂质离子使其掺入半导体基体表面以形成重掺杂的层或层，另一种是表面位垒法，通常是在N型半导体与金或P型半导体与铝之间，由于两种材料中费米能级的差别，当它们紧密接触时会产生接触电位差，在半导体中会形成能带的变化，使它具有PN结的性质。图4.1给出PN结形成的物理过程和PN结中电荷密度分布、电场分布及电位分布。,第二节 PN结型半导体探测器,2019/1/14,南华大学核辐射探测学 授课老师：屈国普,16,在图4.1（a）中，N型的电子和P型的空穴由于扩散和漂移通过交界面向对方运动过程中相遇复合，则形成载流子数大大减少而由杂质离子组成的耗尽区（即电子和空穴耗尽），即PN结。由于结区的杂质离子带有电荷，又称“空间电荷区”。PN结区是PN结型半导体探测器的灵敏区。,2019/1/14,南华大学核辐射探测学 授课老师：屈国普,17,常用的金硅面垒半导体探测器就是PN结型的，图4.2给出了金硅面探测器示意图。,金硅面垒探测器示意图,2019/1/14,南华大学核辐射探测学 授课老师：屈国普,18,一、PN结的性质,1、结区的电场分布 在PN结区内形成了一个由杂质离子组成的空间电荷区，空间电荷密度分布为：,式中na和nd分别表示P区的受主杂质浓度和N区的施主杂质浓度。X=0处P区和N区分界面，a和b分别为P区和N区的宽度。 在耗尽情况下，结区总电荷0，即,2019/1/14,南华大学核辐射探测学 授课老师：屈国普,19,空间电荷区的电位分布U(x)满足泊松方程：,利用边界条件：边界处电场强度0和电场在P区和N区交界面处是连续分布的，得P区和N区的电场分布,2019/1/14,南华大学核辐射探测学 授课老师：屈国普,20,该电场称做内建电场。显然，PN结区的电场是不均匀的，x=0处最强，U(0)=VD ，而x=-a和x=b处为零。电场方向由N区指向P区。,在半导体探测器实际应用中，PN结加反向偏压，即P边为负，N边为正，这样可以使结区变宽。能加的最高偏置电压受到半导体探测器的电阻的限制，太高会将结区破坏。当加上偏置电压V0后，探测器极间电位差应为V0加内建电位差。但由于外加电场大大于内建电场，因此以下各式中就忽略了内建电场。,对上式积分得P区和N区的电位分布,2019/1/14,南华大学核辐射探测学 授课老师：屈国普,21,2、结区厚度 由以上可知，结区厚度d=a+b 但通常半导体探测器的结区中N区和P区的杂质浓度并不一样，往往作基体材料的杂质浓度小于另一种区域的杂质浓度。例如金硅面垒探测器用N型Si作基体，氧化处理层为P型，P区是重掺杂材料，则nand,结区主要在N区，则db,则结区的势垒高度为：,式中V0是探测器加的偏置电压（实际应为偏置电压与内建电场电位差之和，因后者远小于前者，后者可忽略）。,2019/1/14,南华大学核辐射探测学 授课老师：屈国普,22,同理，以P型材料为基体的半导体探测器，结区厚度为：,显然，以上的d为PN结中掺杂少的一边的杂质浓度。 将半导体材料的电阻率公式代入结区厚度公式中，可得N型和P型材料作基体时，结区厚度分别为：,3、结区的电容,2019/1/14,南华大学核辐射探测学 授课老师：屈国普,23,结区厚度d ,V0变化时d就变化，结区电荷量也要变化。结区电荷随外加电压的变化表明结区具有一定的电容，称为结电容。可利用平行板电容器的电容表示式。经单位变换后得：,将结区厚度d的表达式代入Cd表达式中，再将室温下Si和Ge中电子及空穴的迁移率（e及h）代入Cd表达式中，则得室温下N型和P型Si与Ge的结电容：,Cd的单位为F；式中s和d分别为结区面积和厚度，单位为cm2和cm；0是介电常数（Si和Ge的介电常数为11.7和15.
