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第五章第五章 半导体探测器半导体探测器 §5-1 半导体探测器基础半导体探测器基础§5-2 硅微条探测器的结构和原理硅微条探测器的结构和原理§5-3 半导体探测器的发展半导体探测器的发展§5-4 半导体探测器的应用半导体探测器的应用1 1§5-1 半导体探测器基础半导体探测器基础一、半导体的基本知识一、半导体的基本知识1. 导体、半导体、绝缘体的能带导体、半导体、绝缘体的能带 物体导电是物体内电子在外电场作用下定向运动的结果物体导电是物体内电子在外电场作用下定向运动的结果物体导电是物体内电子在外电场作用下定向运动的结果物体导电是物体内电子在外电场作用下定向运动的结果 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。

能级上n n满带：满带：满带：满带：能级已被电子所占满，一般外电场作用时，其电子不形能级已被电子所占满，一般外电场作用时，其电子不形能级已被电子所占满，一般外电场作用时，其电子不形能级已被电子所占满，一般外电场作用时，其电子不形成电流，对导电没有贡献，亦称价带成电流，对导电没有贡献，亦称价带成电流，对导电没有贡献，亦称价带成电流，对导电没有贡献，亦称价带n n导带：导带：导带：导带：能带被电子部分占满，在外电场作用下，电子从外电场能带被电子部分占满，在外电场作用下，电子从外电场能带被电子部分占满，在外电场作用下，电子从外电场能带被电子部分占满，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n n禁带：禁带：禁带：禁带：满带和导带之间的禁区称为禁带，其宽度也称为能隙，满带和导带之间的禁区称为禁带，其宽度也称为能隙，满带和导带之间的禁区称为禁带，其宽度也称为能隙，满带和导带之间的禁区称为禁带，其宽度也称为能隙，记做记做记做记做EgEg。

2 2n n半导体和绝缘体之间的差别在于禁带宽度不同：半导体和绝缘体之间的差别在于禁带宽度不同：半导体和绝缘体之间的差别在于禁带宽度不同：半导体和绝缘体之间的差别在于禁带宽度不同： 半导体禁带较窄，半导体禁带较窄，半导体禁带较窄，半导体禁带较窄，EgEg=0.1-2.2eV=0.1-2.2eV 绝缘体禁带较宽，绝缘体禁带较宽，绝缘体禁带较宽，绝缘体禁带较宽，EgEg=5-10eV=5-10eV 由于能带取决于原子间距，所以由于能带取决于原子间距，所以由于能带取决于原子间距，所以由于能带取决于原子间距，所以EgEg与温度和压力有关一般禁带宽与温度和压力有关一般禁带宽与温度和压力有关一般禁带宽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度大的材料，耐高温性能和耐辐照性能好度大的材料，耐高温性能和耐辐照性能好度大的材料，耐高温性能和耐辐照性能好n n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，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，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，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3 32. 2. 电荷载流子及其在电场中的迁移电荷载流子及其在电场中的迁移电荷载流子及其在电场中的迁移电荷载流子及其在电场中的迁移n n载流子：载流子：载流子：载流子：是电子和空穴的统称是电子和空穴的统称是电子和空穴的统称是电子和空穴的统称n n在单位时间内，因受热激发而产生电子在单位时间内，因受热激发而产生电子在单位时间内，因受热激发而产生电子在单位时间内，因受热激发而产生电子- -空穴对的几率为空穴对的几率为空穴对的几率为空穴对的几率为 取决于禁带宽度取决于禁带宽度取决于禁带宽度取决于禁带宽度EgEg和绝对温度和绝对温度和绝对温度和绝对温度T T的比。

的比n n外加电场时，电子和空穴都运动，方向相反外加电场时，电子和空穴都运动，方向相反外加电场时，电子和空穴都运动，方向相反外加电场时，电子和空穴都运动，方向相反üü若电场不高，漂移速度正比于外加电场若电场不高，漂移速度正比于外加电场若电场不高，漂移速度正比于外加电场若电场不高，漂移速度正比于外加电场E E v= v=   E E，，，，    =e=e   /2m /2m 为迁移率为迁移率为迁移率为迁移率 气体探测器，电子的迁移率远大于正离子；气体探测器，电子的迁移率远大于正离子；气体探测器，电子的迁移率远大于正离子；气体探测器，电子的迁移率远大于正离子； 半导体中，电子和空穴的迁移率基本相同半导体中，电子和空穴的迁移率基本相同半导体中，电子和空穴的迁移率基本相同半导体中，电子和空穴的迁移率基本相同üü当电场逐渐增高时，漂移速度随电场增加变慢，并最后达到饱和当电场逐渐增高时，漂移速度随电场增加变慢，并最后达到饱和。

当电场逐渐增高时，漂移速度随电场增加变慢，并最后达到饱和当电场逐渐增高时，漂移速度随电场增加变慢，并最后达到饱和üü半导体探测器一般都工作在非常高的电场条件下，以得到电荷载流半导体探测器一般都工作在非常高的电场条件下，以得到电荷载流半导体探测器一般都工作在非常高的电场条件下，以得到电荷载流半导体探测器一般都工作在非常高的电场条件下，以得到电荷载流子的饱和速度，子的饱和速度，子的饱和速度，子的饱和速度，~10~107 7cm/scm/s 当芯片厚度为当芯片厚度为当芯片厚度为当芯片厚度为0.1cm0.1cm时，收集时间时，收集时间时，收集时间时，收集时间~10ns~10ns 具有非常快的时间响应具有非常快的时间响应具有非常快的时间响应具有非常快的时间响应 4 43.3.本征半导体与掺杂本征半导体与掺杂n n理想的不含杂质的半导体称为本征半导体，导理想的不含杂质的半导体称为本征半导体，导理想的不含杂质的半导体称为本征半导体，导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，带上的电子数目严格等于满带上的空穴数目，带上的电子数目严格等于满带上的空穴数目，带上的电子数目严格等于满带上的空穴数目，n=p n=p n=p n=p 。

n n掺杂：在本征半导体内掺入杂质，来改变半导掺杂：在本征半导体内掺入杂质，来改变半导掺杂：在本征半导体内掺入杂质，来改变半导掺杂：在本征半导体内掺入杂质，来改变半导体材料的性能体材料的性能体材料的性能体材料的性能• •NN型（电子型）半导体：型（电子型）半导体：型（电子型）半导体：型（电子型）半导体：导带内电子运动导带内电子运动导带内电子运动导带内电子运动• •P P型（空穴型）半导体：型（空穴型）半导体：型（空穴型）半导体：型（空穴型）半导体：满带内空穴运动满带内空穴运动满带内空穴运动满带内空穴运动5 5掺入掺入五价元素：五价元素：P(磷磷)、、As(砷砷)、、 Sb(锑锑)、、 Li(锂）等五价元素原子锂）等五价元素原子的第的第5个价电子都激发到导带中参与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，称作导电主要是电子贡献，称作电子型或电子型或N型半导体型半导体把电子贡献给导带的杂质称为把电子贡献给导带的杂质称为施主杂施主杂质质，杂质能级叫，杂质能级叫施主能级，施主能级，位于导带位于导带底部。

底部掺入掺入三价元素：三价元素：B(硼硼)、、Al(铝铝)、、Ga(镓镓)、、In(铟铟)三价元素原子有从附近吸收一个电三价元素原子有从附近吸收一个电子的趋势，而在价带中产生空穴在室温下子的趋势，而在价带中产生空穴在室温下三价元素原子几乎都形成负离子，是不能移三价元素原子几乎都形成负离子，是不能移动的负电中心，这种半导体的导电主要是空动的负电中心，这种半导体的导电主要是空穴的贡献，称作穴的贡献，称作空穴型或空穴型或P型半导体型半导体能接受能接受价价带中电子而产生导电空穴的杂质称带中电子而产生导电空穴的杂质称为为受主杂质受主杂质在价带上面形成的新的能级叫在价带上面形成的新的能级叫受主能级受主能级，位于价带的顶部位于价带的顶部6 6n n对于掺杂半导体，除了本征激发产生的电子空穴对以对于掺杂半导体，除了本征激发产生的电子空穴对以对于掺杂半导体，除了本征激发产生的电子空穴对以对于掺杂半导体，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，外，还有施主杂质提供的电子和受主杂质提供的空穴，外，还有施主杂质提供的电子和受主杂质提供的空穴，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。

所以电子和空穴的浓度不相等所以电子和空穴的浓度不相等所以电子和空穴的浓度不相等结构缺陷结构缺陷结构缺陷结构缺陷 点缺陷：点缺陷：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：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受主或施主能级，也起受主或施主作用附加受主或施主能级，也起受主或施主作用附加受主或施主能级，也起受主或施主作用附加受主或施主能级，也起受主或施主作用7 74 4、、PNPN结（结（pnpn junction junction））结合前结合前，，N区的电子比区的电子比P区多，区多，P区的区的空穴比空穴比N区多结合后结合后，电子由，电子由N区向区向P区扩散与空穴区扩散与空穴复合；空穴由复合；空穴由P区向区向N区扩散与电子复区扩散与电子复合。

扩散的结果形成合扩散的结果形成PN结在在PN结区结区，电子空穴很少，剩下的杂，电子空穴很少，剩下的杂质正负离子形成空间电荷区，其质正负离子形成空间电荷区，其内建内建电场电场方向由方向由N区指向区指向P区，阻止电子、区，阻止电子、空穴继续扩散，并造成空穴继续扩散，并造成少数载流子的少数载流子的反向漂移运动反向漂移运动当扩散运动和反向漂当扩散运动和反向漂移运动达到平衡时，移运动达到平衡时，P区或区或N区的电子区的电子空穴浓度就不再变化空穴浓度就不再变化这个这个由不可移动的杂质离子组成的空由不可移动的杂质离子组成的空间电荷区间电荷区，即，即PN结区结区，对电导率没有，对电导率没有贡献，而载流子的密度非常低，亦称贡献，而载流子的密度非常低，亦称耗尽区，阻挡层，势垒区耗尽区，阻挡层，势垒区8 8半导体探测器的灵敏区半导体探测器的灵敏区半导体半导体半导体半导体PNPNPNPN结可结可结可结可作为灵敏区作为灵敏区作为灵敏区作为灵敏区1 1 1 1）在）在）在）在PNPNPNPN结区可移动的载流子基本被耗尽，只留下电离结区可移动的载流子基本被耗尽，只留下电离结区可移动的载流子基本被耗尽，只留下电离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，其具有很高的了的正负电中心，对电导率无贡献，其具有很高的了的正负电中心，对电导率无贡献，其具有很高的了的正负电中心，对电导率无贡献，其具有很高的电阻率。

电阻率2 2 2 2））））PNPNPNPN结加上一定负偏压，耗尽区扩展，可达全耗尽，结加上一定负偏压，耗尽区扩展，可达全耗尽，结加上一定负偏压，耗尽区扩展，可达全耗尽，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死层极薄，外加电压几乎全部加到死层极薄，外加电压几乎全部加到死层极薄，外加电压几乎全部加到PNPNPNPN结上，形成很结上，形成很结上，形成很结上，形成很高电场3 3 3 3）漏电流很小，有很好的信噪比漏电流很小，有很好的信噪比漏电流很小，有很好的信噪比漏电流很小，有很好的信噪比4 4 4 4）当有带电粒子通过时，产生的电子）当有带电粒子通过时，产生的电子）当有带电粒子通过时，产生的电子）当有带电粒子通过时，产生的电子- - - -空穴对，在强空穴对，在强空穴对，在强空穴对，在强电场的作用下，很快地迁移出耗尽区，在电极上产电场的作用下，很快地迁移出耗尽区，在电极上产电场的作用下，很快地迁移出耗尽区，在电极上产电场的作用下，很快地迁移出耗尽区，在电极上产生信号9 95. PN结的偏压特性结的偏压特性n n当当当当PNPN结不加偏压时，能起到一定的探测器作用，但性能很差结不加偏压时，能起到一定的探测器作用，但性能很差结不加偏压时，能起到一定的探测器作用，但性能很差结不加偏压时，能起到一定的探测器作用，但性能很差自发形成的电场低，不利于收集；耗尽区薄，信噪比差自发形成的电场低，不利于收集；耗尽区薄，信噪比差自发形成的电场低，不利于收集；耗尽区薄，信噪比差自发形成的电场低，不利于收集；耗尽区薄，信噪比差n n当当当当PNPN结加正向偏压时，加很低的电压，也会有很大的电流，信结加正向偏压时，加很低的电压，也会有很大的电流，信结加正向偏压时，加很低的电压，也会有很大的电流，信结加正向偏压时，加很低的电压，也会有很大的电流，信号将被淹没，无法作为探测器号将被淹没，无法作为探测器号将被淹没，无法作为探测器号将被淹没，无法作为探测器n n加反向电压，加反向电压，加反向电压，加反向电压，NN区接正，区接正，区接正，区接正， P P区接负，外加电场方向与内建电场方区接负，外加电场方向与内建电场方区接负，外加电场方向与内建电场方区接负，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，产生信号信电子－空穴对，在高电场下分别向正负电极漂移，产生信号信电子－空穴对，在高电场下分别向正负电极漂移，产生信号信电子－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加反向偏压的加反向偏压的加反向偏压的PNPN结就是结型半导体探测器的灵敏区结就是结型半导体探测器的灵敏区结就是结型半导体探测器的灵敏区结就是结型半导体探测器的灵敏区1010n n优点：优点：1 1）非常好的位置分辨）非常好的位置分辨）非常好的位置分辨）非常好的位置分辨• •这是硅微条探测器最突出的特点它的位置分辨率是目前应这是硅微条探测器最突出的特点它的位置分辨率是目前应这是硅微条探测器最突出的特点。

它的位置分辨率是目前应这是硅微条探测器最突出的特点它的位置分辨率是目前应用的各种探测器中最高的，目前可做到用的各种探测器中最高的，目前可做到用的各种探测器中最高的，目前可做到用的各种探测器中最高的，目前可做到1. 4μm1. 4μm• •主要因为固体的密度比气体大主要因为固体的密度比气体大主要因为固体的密度比气体大主要因为固体的密度比气体大100 100 倍左右倍左右倍左右倍左右, , 带电粒子穿过探带电粒子穿过探带电粒子穿过探带电粒子穿过探测器测器测器测器, , 产生的电子产生的电子产生的电子产生的电子- -空穴对空穴对空穴对空穴对( (e-he-h) ) 的密度非常高的密度非常高的密度非常高的密度非常高, , 大约为大约为大约为大约为110e-h/μm110e-h/μm• •另外由于现代半导体技术工艺另外由于现代半导体技术工艺另外由于现代半导体技术工艺另外由于现代半导体技术工艺, , 光刻技术及高集成度低噪声读光刻技术及高集成度低噪声读光刻技术及高集成度低噪声读光刻技术及高集成度低噪声读出电子学的飞速发展出电子学的飞速发展出电子学的飞速发展出电子学的飞速发展, , 每个读出条可对应一路读出电子学每个读出条可对应一路读出电子学每个读出条可对应一路读出电子学每个读出条可对应一路读出电子学, , 更更更更有利于空间分辨率的提高。

有利于空间分辨率的提高有利于空间分辨率的提高有利于空间分辨率的提高6. 半导体探测器的特点半导体探测器的特点11112 2）很高的能量分辨率）很高的能量分辨率）很高的能量分辨率）很高的能量分辨率• •半导体探测器的能量分辨率比气体探测器大约高一个数量级半导体探测器的能量分辨率比气体探测器大约高一个数量级半导体探测器的能量分辨率比气体探测器大约高一个数量级半导体探测器的能量分辨率比气体探测器大约高一个数量级, , 比比比比闪烁计数器高得更多闪烁计数器高得更多闪烁计数器高得更多闪烁计数器高得更多• •这是因为在硅半导体中电离产生一对电子这是因为在硅半导体中电离产生一对电子这是因为在硅半导体中电离产生一对电子这是因为在硅半导体中电离产生一对电子- -空穴对只需要空穴对只需要空穴对只需要空穴对只需要3eV3eV左右左右左右左右的能量的能量的能量的能量, , 而气体中产生一对离子对所需能量大约为而气体中产生一对离子对所需能量大约为而气体中产生一对离子对所需能量大约为而气体中产生一对离子对所需能量大约为30eV , 30eV , 塑料塑料塑料塑料闪烁探测器在光阴极上产生一个光电子需要的能量大约为闪烁探测器在光阴极上产生一个光电子需要的能量大约为闪烁探测器在光阴极上产生一个光电子需要的能量大约为闪烁探测器在光阴极上产生一个光电子需要的能量大约为300eV300eV。

带电粒子在硅半导体中的能量损失也很高带电粒子在硅半导体中的能量损失也很高带电粒子在硅半导体中的能量损失也很高带电粒子在硅半导体中的能量损失也很高, , 在硅晶体中在硅晶体中在硅晶体中在硅晶体中, , 能量损能量损能量损能量损失大约失大约失大约失大约390eV/390eV/μ μm m 因此, , 同样能量的带电粒子在半导体中产同样能量的带电粒子在半导体中产同样能量的带电粒子在半导体中产同样能量的带电粒子在半导体中产生的电子生的电子生的电子生的电子- -空穴对数要比气体中产生的离子对高一个数量级以上空穴对数要比气体中产生的离子对高一个数量级以上空穴对数要比气体中产生的离子对高一个数量级以上空穴对数要比气体中产生的离子对高一个数量级以上这样电荷数的相对统计涨落也比气体小很多这样电荷数的相对统计涨落也比气体小很多这样电荷数的相对统计涨落也比气体小很多这样电荷数的相对统计涨落也比气体小很多• •法诺因子法诺因子法诺因子法诺因子F F也小硅硅硅硅 F≈0.10F≈0.10，，，， 锗锗锗锗 F≈0.06F≈0.06气体气体气体气体 F≈0.4F≈0.4 闪烁体闪烁体闪烁体闪烁体 F=1F=112123 3）能量线性很好）能量线性很好）能量线性很好）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，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，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，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。

量成正比量成正比量成正比 半导体探测器对各种粒子都有良好的能量线性半导体探测器对各种粒子都有良好的能量线性半导体探测器对各种粒子都有良好的能量线性半导体探测器对各种粒子都有良好的能量线性4 4）非常快的响应时间）非常快的响应时间）非常快的响应时间）非常快的响应时间 在半导体探测器中在半导体探测器中在半导体探测器中在半导体探测器中, , 由于采用微电子工艺的半导体探测器很薄由于采用微电子工艺的半导体探测器很薄由于采用微电子工艺的半导体探测器很薄由于采用微电子工艺的半导体探测器很薄, , 它的它的它的它的电荷在很小的区域里收集电荷在很小的区域里收集电荷在很小的区域里收集电荷在很小的区域里收集, , 响应时间非常快响应时间非常快响应时间非常快响应时间非常快, , 一般可达到一般可达到一般可达到一般可达到5n s 5n s 左右因此因此因此因此, , 可以实现高计数率可以实现高计数率可以实现高计数率可以实现高计数率, , 可超过可超过可超过可超过10108 8/cm/cm2 2·s ·s5 5）体积可做得很小）体积可做得很小）体积可做得很小）体积可做得很小 由于硅半导体密度大由于硅半导体密度大由于硅半导体密度大由于硅半导体密度大, , 有一定的刚度有一定的刚度有一定的刚度有一定的刚度, , 它可以做得很薄并能自身支持它可以做得很薄并能自身支持它可以做得很薄并能自身支持它可以做得很薄并能自身支持, , 典型的厚度是典型的厚度是典型的厚度是典型的厚度是300300μ μm m 左右左右左右左右, , 当带电粒子穿过时当带电粒子穿过时当带电粒子穿过时当带电粒子穿过时, , 大约可产生大约可产生大约可产生大约可产生3. 2×103. 2×104 4 电电电电子子子子- -空穴对。

有的还可做得更薄空穴对有的还可做得更薄空穴对有的还可做得更薄空穴对有的还可做得更薄, , 整个探测器可以做得很小整个探测器可以做得很小整个探测器可以做得很小整个探测器可以做得很小1313 6 6）抗磁场性能好）抗磁场性能好）抗磁场性能好）抗磁场性能好 对磁场对磁场对磁场对磁场(B<10KG)(B<10KG)不灵敏n n缺点：缺点：对辐射损伤比较灵敏对辐射损伤比较灵敏对辐射损伤比较灵敏对辐射损伤比较灵敏l l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，致使半导体探测器的漏电流增大，性能下降成晶格缺陷，致使半导体探测器的漏电流增大，性能下降成晶格缺陷，致使半导体探测器的漏电流增大，性能下降成晶格缺陷，致使半导体探测器的漏电流增大，性能下降l l辐射损伤与辐射种类、剂量率以及辐照时间和条件有关辐射损伤与辐射种类、剂量率以及辐照时间和条件有关辐射损伤与辐射种类、剂量率以及辐照时间和条件有关。

辐射损伤与辐射种类、剂量率以及辐照时间和条件有关l l各国科学家就此问题从技术上正在进行不断地改进提高各国科学家就此问题从技术上正在进行不断地改进提高各国科学家就此问题从技术上正在进行不断地改进提高各国科学家就此问题从技术上正在进行不断地改进提高1414§5-2 硅微条探测器的结构和原理硅微条探测器的结构和原理Silicon Micro strip Detector Silicon Micro strip Detector （（SMDSMD））硅微条探测器的结构硅微条探测器的结构硅微条探测器的结构硅微条探测器的结构电触点电触点电触点电触点n n欧姆触点（导电电极）欧姆触点（导电电极）欧姆触点（导电电极）欧姆触点（导电电极）保持半导体内载流子浓度平衡，漏电流大保持半导体内载流子浓度平衡，漏电流大保持半导体内载流子浓度平衡，漏电流大保持半导体内载流子浓度平衡，漏电流大n n闭锁电极闭锁电极闭锁电极闭锁电极半导体内载流子浓度下降，漏电流小半导体内载流子浓度下降，漏电流小半导体内载流子浓度下降，漏电流小半导体内载流子浓度下降，漏电流小一般就是半导体一般就是半导体一般就是半导体一般就是半导体PNPN结的两个面。

结的两个面结的两个面结的两个面P P++，，，，NN++：杂质浓度很高的半导体薄层杂质浓度很高的半导体薄层杂质浓度很高的半导体薄层杂质浓度很高的半导体薄层由此可见，耗尽层两边的宽度反比于杂质的浓度，由此可见，耗尽层两边的宽度反比于杂质的浓度，由此可见，耗尽层两边的宽度反比于杂质的浓度，由此可见，耗尽层两边的宽度反比于杂质的浓度，选择选择选择选择NNPP>>N>>NNN，耗尽层，耗尽层，耗尽层，耗尽层NN型的一边特别宽，型的一边特别宽，型的一边特别宽，型的一边特别宽，P P边很窄，边很窄，边很窄，边很窄，即即即即P P++NN如：如：如：如： NNPP=10=101515cmcm-3-3，，，，NNNN=5x10=5x101212cmcm-3-3，，，，VVBB=100V=100V则则则则 WWPP=0.4=0.4   mm，，，，WWNN=300=300   mm常采用常采用 P P++NNNN++1515 结构结构üü薄铝条、薄铝条、薄铝条、薄铝条、SiOSiO2 2隔离条、隔离条、隔离条、隔离条、重掺重掺重掺重掺P P++条条条条üü~300~300   mm厚的厚的厚的厚的NN型硅型硅型硅型硅基，灵敏区基，灵敏区基，灵敏区基，灵敏区üü重掺重掺重掺重掺NN++层和铝薄膜组成层和铝薄膜组成层和铝薄膜组成层和铝薄膜组成的背衬电极的背衬电极的背衬电极的背衬电极üü微条（信号读出条），微条（信号读出条），微条（信号读出条），微条（信号读出条），条距决定空间分辨率条距决定空间分辨率条距决定空间分辨率条距决定空间分辨率üü保护环，屏蔽（噪声、保护环，屏蔽（噪声、保护环，屏蔽（噪声、保护环，屏蔽（噪声、辐照）辐照）辐照）辐照）üü偏压连接带、电阻偏压连接带、电阻偏压连接带、电阻偏压连接带、电阻üü直流、交流接触片，信直流、交流接触片，信直流、交流接触片，信直流、交流接触片，信号通过它们连接前放。

号通过它们连接前放号通过它们连接前放号通过它们连接前放1616n n硅微条探测器是在一个硅微条探测器是在一个硅微条探测器是在一个硅微条探测器是在一个n n 型硅片的表型硅片的表型硅片的表型硅片的表面上面上面上面上, , 通过氧化和离子注入法通过氧化和离子注入法通过氧化和离子注入法通过氧化和离子注入法, , 局部局部局部局部扩散法或表面位垒法及光刻等技术工扩散法或表面位垒法及光刻等技术工扩散法或表面位垒法及光刻等技术工扩散法或表面位垒法及光刻等技术工艺制作成的艺制作成的艺制作成的艺制作成的n n其表面是均匀平行的附有一层铝膜的其表面是均匀平行的附有一层铝膜的其表面是均匀平行的附有一层铝膜的其表面是均匀平行的附有一层铝膜的重搀杂重搀杂重搀杂重搀杂p p++微条n n 型硅片的整个底型硅片的整个底型硅片的整个底型硅片的整个底面掺入杂质后面掺入杂质后面掺入杂质后面掺入杂质后, , 制成制成制成制成n n 型重搀杂型重搀杂型重搀杂型重搀杂n n++层层层层, , 其外层也附有一层铝其外层也附有一层铝其外层也附有一层铝其外层也附有一层铝, , 作为电极作为电极作为电极作为电极接触这样制成了表面均匀条形的接触。

这样制成了表面均匀条形的接触这样制成了表面均匀条形的接触这样制成了表面均匀条形的pnpn结型单边读出的探测器结型单边读出的探测器结型单边读出的探测器结型单边读出的探测器n 中间部分的耗尽层是探测器的灵敏区中间部分的耗尽层是探测器的灵敏区中间部分的耗尽层是探测器的灵敏区中间部分的耗尽层是探测器的灵敏区, , 当在这些条型当在这些条型当在这些条型当在这些条型pnpn结加上负偏压时结加上负偏压时结加上负偏压时结加上负偏压时, , 耗尽层在耗尽层在耗尽层在耗尽层在外加电场的作用下外加电场的作用下外加电场的作用下外加电场的作用下, , 随着电压升高而变厚当电压足够高随着电压升高而变厚当电压足够高随着电压升高而变厚当电压足够高随着电压升高而变厚当电压足够高, , 耗尽层几乎扩展到整个耗尽层几乎扩展到整个耗尽层几乎扩展到整个耗尽层几乎扩展到整个n- n- 型硅片型硅片型硅片型硅片, , 基本达到了全耗尽基本达到了全耗尽基本达到了全耗尽基本达到了全耗尽, , 死层变得非常薄因为其内部可移动的载流子密度很低死层变得非常薄因为其内部可移动的载流子密度很低死层变得非常薄因为其内部可移动的载流子密度很低死层变得非常薄。

因为其内部可移动的载流子密度很低, , 电阻率很高电阻率很高电阻率很高电阻率很高, , 漏电流非常小漏电流非常小漏电流非常小漏电流非常小( (好的硅微条探测器漏电流小于好的硅微条探测器漏电流小于好的硅微条探测器漏电流小于好的硅微条探测器漏电流小于100pA )100pA )外加电压几乎外加电压几乎外加电压几乎外加电压几乎全部加到耗尽区上全部加到耗尽区上全部加到耗尽区上全部加到耗尽区上, , 形成很高的电场形成很高的电场形成很高的电场形成很高的电场n n 在无辐射电离时在无辐射电离时在无辐射电离时在无辐射电离时, , 基本没有信号产生当有带电粒子穿过探测器的灵敏区时基本没有信号产生当有带电粒子穿过探测器的灵敏区时基本没有信号产生当有带电粒子穿过探测器的灵敏区时基本没有信号产生当有带电粒子穿过探测器的灵敏区时, , 将产将产将产将产生电子－空穴对生电子－空穴对生电子－空穴对生电子－空穴对, , 在高电场的作用下在高电场的作用下在高电场的作用下在高电场的作用下, , 电子向正极电子向正极电子向正极电子向正极( (底板底板底板底板) )漂移漂移漂移漂移, , 空穴向靠近径迹的加空穴向靠近径迹的加空穴向靠近径迹的加空穴向靠近径迹的加负偏压的微条漂移，在这很小的区域内负偏压的微条漂移，在这很小的区域内负偏压的微条漂移，在这很小的区域内负偏压的微条漂移，在这很小的区域内( (探测器厚度在探测器厚度在探测器厚度在探测器厚度在300μm 300μm 左右左右左右左右) ) 收集电荷只需收集电荷只需收集电荷只需收集电荷只需很短的时间很短的时间很短的时间很短的时间( (几几几几nsns左右左右左右左右) )。

在探测器的微条上很快就读出了这个空穴在探测器的微条上很快就读出了这个空穴在探测器的微条上很快就读出了这个空穴在探测器的微条上很快就读出了这个空穴( (实为电子实为电子实为电子实为电子) ) 运动运动运动运动产生的电荷信号读出电子学得到这个电荷信号产生的电荷信号读出电子学得到这个电荷信号产生的电荷信号读出电子学得到这个电荷信号产生的电荷信号读出电子学得到这个电荷信号, , 经过前置放大器将信号放大经过前置放大器将信号放大经过前置放大器将信号放大经过前置放大器将信号放大, , 再经再经再经再经过模拟通道过模拟通道过模拟通道过模拟通道, , 比较器比较器比较器比较器, , 模数转换模数转换模数转换模数转换(ADC) (ADC) 后读入计算机后读入计算机后读入计算机后读入计算机1717n n探测器厚度选择探测器厚度选择探测器厚度选择探测器厚度选择 在设计、制作和使用硅微条探测器时需要考虑的一在设计、制作和使用硅微条探测器时需要考虑的一在设计、制作和使用硅微条探测器时需要考虑的一在设计、制作和使用硅微条探测器时需要考虑的一个重要原则问题是带电粒子在半导体探测器中的散射角个重要原则问题是带电粒子在半导体探测器中的散射角个重要原则问题是带电粒子在半导体探测器中的散射角个重要原则问题是带电粒子在半导体探测器中的散射角度与探测器的厚度问题。

度与探测器的厚度问题度与探测器的厚度问题度与探测器的厚度问题 因为半导体的密度比较大因为半导体的密度比较大因为半导体的密度比较大因为半导体的密度比较大, , 带电粒子穿过探测器时带电粒子穿过探测器时带电粒子穿过探测器时带电粒子穿过探测器时, , 在探测器内部要经过多次散射在探测器内部要经过多次散射在探测器内部要经过多次散射在探测器内部要经过多次散射• •如果带电粒子的能量不高如果带电粒子的能量不高如果带电粒子的能量不高如果带电粒子的能量不高, , 探测器比较厚探测器比较厚探测器比较厚探测器比较厚, , 粒子在探测器内经粒子在探测器内经粒子在探测器内经粒子在探测器内经过很多次散射后过很多次散射后过很多次散射后过很多次散射后, , 角度偏转比较大角度偏转比较大角度偏转比较大角度偏转比较大, , 这将不利于粒子的径迹和这将不利于粒子的径迹和这将不利于粒子的径迹和这将不利于粒子的径迹和顶点精确测量顶点精确测量顶点精确测量顶点精确测量• •如果探测器太薄了如果探测器太薄了如果探测器太薄了如果探测器太薄了, , 虽然散射次数减少虽然散射次数减少虽然散射次数减少虽然散射次数减少, , 偏转角度小了偏转角度小了偏转角度小了偏转角度小了, , 但探测但探测但探测但探测效率降低了，能量分辨也差了。

效率降低了，能量分辨也差了效率降低了，能量分辨也差了效率降低了，能量分辨也差了• •因此因此因此因此, , 一定要根据被探测粒子的能量及实验对散射偏转角度的一定要根据被探测粒子的能量及实验对散射偏转角度的一定要根据被探测粒子的能量及实验对散射偏转角度的一定要根据被探测粒子的能量及实验对散射偏转角度的要求要求要求要求, , 恰当的选择探测器厚度恰当的选择探测器厚度恰当的选择探测器厚度恰当的选择探测器厚度1818n n读出方式读出方式读出方式读出方式• •直流耦合直流耦合直流耦合直流耦合DCDC：铝电极与独立的扩：铝电极与独立的扩：铝电极与独立的扩：铝电极与独立的扩散层直接接触散层直接接触散层直接接触散层直接接触 • •交流耦合交流耦合交流耦合交流耦合ACAC：铝电极与每个扩散：铝电极与每个扩散：铝电极与每个扩散：铝电极与每个扩散层以电容耦合方式接触层以电容耦合方式接触层以电容耦合方式接触层以电容耦合方式接触ACAC读出读出读出读出的优点是每个二极管的漏电流不会的优点是每个二极管的漏电流不会的优点是每个二极管的漏电流不会的优点是每个二极管的漏电流不会流到读出电极上，因而噪声小不流到读出电极上，因而噪声小。

不流到读出电极上，因而噪声小不流到读出电极上，因而噪声小不过偏压加载要有特殊方式过偏压加载要有特殊方式过偏压加载要有特殊方式过偏压加载要有特殊方式 n n单条读出与双条读出单条读出与双条读出单条读出与双条读出单条读出与双条读出• •单条读出：单条读出：单条读出：单条读出： 条宽条宽条宽条宽/ /   1212• •双条读出位置分辨好双条读出位置分辨好双条读出位置分辨好双条读出位置分辨好• •SMDSMD漂移快，扩散小，电荷分漂移快，扩散小，电荷分漂移快，扩散小，电荷分漂移快，扩散小，电荷分布窄，布窄，布窄，布窄，~10~10   mm• •偏压太低时，非耗尽层厚，信偏压太低时，非耗尽层厚，信偏压太低时，非耗尽层厚，信偏压太低时，非耗尽层厚，信噪比差，分辨低；太高时，不噪比差，分辨低；太高时，不噪比差，分辨低；太高时，不噪比差，分辨低；太高时，不再改善电荷收集，但减少了扩再改善电荷收集，但减少了扩再改善电荷收集，但减少了扩再改善电荷收集，但减少了扩散，单条事例增多，位置分辨散，单条事例增多，位置分辨散，单条事例增多，位置分辨散，单条事例增多，位置分辨也变差也变差也变差也变差1919n n逐条读出需太多电子逐条读出需太多电子逐条读出需太多电子逐条读出需太多电子学学学学n n可采用隔几条读出的可采用隔几条读出的可采用隔几条读出的可采用隔几条读出的方式（电容耦合），方式（电容耦合），方式（电容耦合），方式（电容耦合），用重心法也可得到很用重心法也可得到很用重心法也可得到很用重心法也可得到很好的位置分辨好的位置分辨好的位置分辨好的位置分辨2020n n硅微条探测器的一些技术硅微条探测器的一些技术硅微条探测器的一些技术硅微条探测器的一些技术指标指标指标指标 以以以以LEPLEP上的探测器为例，应要求上的探测器为例，应要求上的探测器为例，应要求上的探测器为例，应要求不同，它们的性能指标并不是最高不同，它们的性能指标并不是最高不同，它们的性能指标并不是最高不同，它们的性能指标并不是最高的，但性能比气体探测器还是好得的，但性能比气体探测器还是好得的，但性能比气体探测器还是好得的，但性能比气体探测器还是好得多。

多2121n n探测器技术及半导体各种技术工艺和光刻技术的探测器技术及半导体各种技术工艺和光刻技术的探测器技术及半导体各种技术工艺和光刻技术的探测器技术及半导体各种技术工艺和光刻技术的发展发展发展发展, , 硅微条及一些相关的半导体探测器都得到硅微条及一些相关的半导体探测器都得到硅微条及一些相关的半导体探测器都得到硅微条及一些相关的半导体探测器都得到了快速的发展和应用如双边读出的硅微条探测了快速的发展和应用如双边读出的硅微条探测了快速的发展和应用如双边读出的硅微条探测了快速的发展和应用如双边读出的硅微条探测器、像素探测器、硅漂移室、器、像素探测器、硅漂移室、器、像素探测器、硅漂移室、器、像素探测器、硅漂移室、CCDCCD、硅片探测器硅片探测器硅片探测器硅片探测器§5-3 半导体探测器的发展半导体探测器的发展22221. 双边读出的硅微条探测器双边读出的硅微条探测器n n双边读出的硅微条探测器也是基于双边读出的硅微条探测器也是基于双边读出的硅微条探测器也是基于双边读出的硅微条探测器也是基于pnpn结的工作原理结的工作原理结的工作原理结的工作原理, , 在一片在一片在一片在一片n n型硅片型硅片型硅片型硅片的两面的两面的两面的两面, ,通过先进的技术工艺通过先进的技术工艺通过先进的技术工艺通过先进的技术工艺, , 分别制成重搀杂分别制成重搀杂分别制成重搀杂分别制成重搀杂p p++型和型和型和型和n n++型微条。

有型微条有型微条有型微条有p p++型和型和型和型和n n++型上下两层读出条型上下两层读出条型上下两层读出条型上下两层读出条, , 这两层读出条相交成一定的角度，具这两层读出条相交成一定的角度，具这两层读出条相交成一定的角度，具这两层读出条相交成一定的角度，具有两维的位置测试能力有两维的位置测试能力有两维的位置测试能力有两维的位置测试能力n n它的结边它的结边它的结边它的结边(p-side) (p-side) 的结构设计特征像单边读出的微条探测器的结构设计特征像单边读出的微条探测器的结构设计特征像单边读出的微条探测器的结构设计特征像单边读出的微条探测器; ; 而欧而欧而欧而欧姆边姆边姆边姆边(n-side) , (n-side) , 为防止条之间的短路为防止条之间的短路为防止条之间的短路为防止条之间的短路, , 需要复杂的设计及技术工艺需要复杂的设计及技术工艺需要复杂的设计及技术工艺需要复杂的设计及技术工艺, , 其中包括条之间的电子学绝缘问题其中包括条之间的电子学绝缘问题其中包括条之间的电子学绝缘问题其中包括条之间的电子学绝缘问题n n双边读出的硅微条探测器的工作原理也是因为加负偏压双边读出的硅微条探测器的工作原理也是因为加负偏压双边读出的硅微条探测器的工作原理也是因为加负偏压双边读出的硅微条探测器的工作原理也是因为加负偏压, , 实现基本全实现基本全实现基本全实现基本全耗尽耗尽耗尽耗尽, , 动态电阻很大动态电阻很大动态电阻很大动态电阻很大, , 漏电流很小漏电流很小漏电流很小漏电流很小, , 同时减小了电容同时减小了电容同时减小了电容同时减小了电容, , 压低噪声。

压低噪声压低噪声压低噪声AlSiO22323n n像素探测器也是根据像素探测器也是根据像素探测器也是根据像素探测器也是根据pnpn结的原理研制成功的结的原理研制成功的结的原理研制成功的结的原理研制成功的, , 它的内部是由许多精心它的内部是由许多精心它的内部是由许多精心它的内部是由许多精心设计好的非常小的设计好的非常小的设计好的非常小的设计好的非常小的pnpn 结结结结( (二极管二极管二极管二极管) ) 组成它能够非常快的提供两维的组成它能够非常快的提供两维的组成它能够非常快的提供两维的组成它能够非常快的提供两维的信息每一个小室信息每一个小室信息每一个小室信息每一个小室(cell) (cell) 都连接它自己的读出电子学这样制成的都连接它自己的读出电子学这样制成的都连接它自己的读出电子学这样制成的都连接它自己的读出电子学这样制成的像素探测器对于高多重性、高事例率的实验是非常有用的像素探测器对于高多重性、高事例率的实验是非常有用的像素探测器对于高多重性、高事例率的实验是非常有用的像素探测器对于高多重性、高事例率的实验是非常有用的n n它不像双层硅微条探测器那样它不像双层硅微条探测器那样它不像双层硅微条探测器那样它不像双层硅微条探测器那样, , 在多个粒子同时打到探测器的一个读在多个粒子同时打到探测器的一个读在多个粒子同时打到探测器的一个读在多个粒子同时打到探测器的一个读出条有时会出现位置分辨模糊。

像素探测器具有非常好的位置分辨率出条有时会出现位置分辨模糊像素探测器具有非常好的位置分辨率出条有时会出现位置分辨模糊像素探测器具有非常好的位置分辨率出条有时会出现位置分辨模糊像素探测器具有非常好的位置分辨率, , 但在每单位面积上需要大量的电子学路数但在每单位面积上需要大量的电子学路数但在每单位面积上需要大量的电子学路数但在每单位面积上需要大量的电子学路数n n这种像素探测器只用单边的技术工艺而提供了两维的高位置分辨率这种像素探测器只用单边的技术工艺而提供了两维的高位置分辨率这种像素探测器只用单边的技术工艺而提供了两维的高位置分辨率这种像素探测器只用单边的技术工艺而提供了两维的高位置分辨率已经被用到已经被用到已经被用到已经被用到LHC LHC 高能物理实验中高能物理实验中高能物理实验中高能物理实验中2. 像素像素(Pixel) 探测器探测器2424n nCCD CCD 已经使用几十年了已经使用几十年了已经使用几十年了已经使用几十年了, , 过去多用在光测量和摄像机上过去多用在光测量和摄像机上过去多用在光测量和摄像机上过去多用在光测量和摄像机上, , 即即即即使在高能物理中的应用使在高能物理中的应用使在高能物理中的应用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也是作为火花室和流光室的径迹图也是作为火花室和流光室的径迹图也是作为火花室和流光室的径迹图像记录。

像记录n n近些年科学家们已直接把它用作高能物理探测器近些年科学家们已直接把它用作高能物理探测器近些年科学家们已直接把它用作高能物理探测器近些年科学家们已直接把它用作高能物理探测器, , 如如如如SLD SLD VXD3 VXD3 探测器探测器探测器探测器, , 采用采用采用采用96CCD’S 96CCD’S ××××3.2 3.2 ××××10108 8 = 3.07 = 3.07 ××××10108 8 个像素个像素个像素个像素(20(20   mm××××2020   m) m) 每个每个每个每个CCD CCD 读出通过读出通过读出通过读出通过4 4 个输出结个输出结个输出结个输出结, , 8 8 位位位位FADC, FADC, 全部读出时间是全部读出时间是全部读出时间是全部读出时间是200ms200msn n日本日本日本日本KEK KEK 计划用它来作为未来实验的顶点探测器计划用它来作为未来实验的顶点探测器计划用它来作为未来实验的顶点探测器计划用它来作为未来实验的顶点探测器, , 位置分辨位置分辨位置分辨位置分辨率设计为率设计为率设计为率设计为2 2   m m 。

n nCCD CCD 作为粒子探测器作为粒子探测器作为粒子探测器作为粒子探测器, , 探测的不再是光探测的不再是光探测的不再是光探测的不再是光, , 而是带电粒子而是带电粒子而是带电粒子而是带电粒子, , 所所所所以它的结构也有些变化当带电粒子射入探测器时以它的结构也有些变化当带电粒子射入探测器时以它的结构也有些变化当带电粒子射入探测器时以它的结构也有些变化当带电粒子射入探测器时, , 产生电产生电产生电产生电子空穴对子空穴对子空穴对子空穴对, , 电荷传输在电荷传输在电荷传输在电荷传输在CCD CCD 很薄的耗尽区内进行很薄的耗尽区内进行很薄的耗尽区内进行很薄的耗尽区内进行n nCCDCCD的结构是在一块硅片上集成很多的的结构是在一块硅片上集成很多的的结构是在一块硅片上集成很多的的结构是在一块硅片上集成很多的MOS(MOS(金属－氧化物金属－氧化物金属－氧化物金属－氧化物－半导体－半导体－半导体－半导体) )器件，每个器件，每个器件，每个器件，每个MOSMOS器件类似一个小半导体探测器器件类似一个小半导体探测器器件类似一个小半导体探测器器件类似一个小半导体探测器3.电荷耦合器件电荷耦合器件CCD 2525CCD的的工作原理工作原理CCDCCD的的的的单元很小，只有几个单元很小，只有几个单元很小，只有几个单元很小，只有几个   mm2 2, , 间距间距间距间距3 3－－－－5 5   mm，相邻，相邻，相邻，相邻单元加不同电压时会使它们收集的电荷相互转移，单元加不同电压时会使它们收集的电荷相互转移，单元加不同电压时会使它们收集的电荷相互转移，单元加不同电压时会使它们收集的电荷相互转移，加加加加一组三重周期性变化的驱动脉冲电压，使电荷定向移一组三重周期性变化的驱动脉冲电压，使电荷定向移一组三重周期性变化的驱动脉冲电压，使电荷定向移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向边缘的信号输出电极因为信号输出电极及读出电向边缘的信号输出电极因为信号输出电极及读出电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子学路数都少，因此这种探测器的信号读出比较慢子学路数都少，因此这种探测器的信号读出比较慢子学路数都少，因此这种探测器的信号读出比较慢CCDCCD的灵敏度较低，只有达到的灵敏度较低，只有达到的灵敏度较低，只有达到的灵敏度较低，只有达到10103 3电子电子电子电子/ /单元的电荷才单元的电荷才单元的电荷才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能被记录，故常要与多级微通道倍增器组合使用能被记录，故常要与多级微通道倍增器组合使用能被记录，故常要与多级微通道倍增器组合使用2626n n硅漂移室是在硅漂移室是在硅漂移室是在硅漂移室是在n n型的硅片的两型的硅片的两型的硅片的两型的硅片的两个表面个表面个表面个表面, , 注入杂质，形成重搀注入杂质，形成重搀注入杂质，形成重搀注入杂质，形成重搀杂杂杂杂p p++条n n在边缘形成一个在边缘形成一个在边缘形成一个在边缘形成一个n n++微条与中间微条与中间微条与中间微条与中间未耗尽区相连未耗尽区相连未耗尽区相连未耗尽区相连, , 当外加一定的当外加一定的当外加一定的当外加一定的负偏压后负偏压后负偏压后负偏压后, ,使整个硅片实现全耗使整个硅片实现全耗使整个硅片实现全耗使整个硅片实现全耗尽。

硅片内部的电位分布尽硅片内部的电位分布尽硅片内部的电位分布尽硅片内部的电位分布, ,在在在在z z 方向成为抛物线型方向成为抛物线型方向成为抛物线型方向成为抛物线型, , 中心的电中心的电中心的电中心的电位最低而靠近两个表面的部位位最低而靠近两个表面的部位位最低而靠近两个表面的部位位最低而靠近两个表面的部位最高n n当带电粒子穿过探测器时产生当带电粒子穿过探测器时产生当带电粒子穿过探测器时产生当带电粒子穿过探测器时产生电子空穴对电子空穴对电子空穴对电子空穴对, , 电子就会落入低电子就会落入低电子就会落入低电子就会落入低电位的谷中电位的谷中电位的谷中电位的谷中, , 然后沿着电场的然后沿着电场的然后沿着电场的然后沿着电场的x x 方向分量向微条方向分量向微条方向分量向微条方向分量向微条n n++漂移漂移漂移漂移, ,形成形成形成形成电信号4. 硅漂移室硅漂移室 Silicon Drift detector2727n n通过测量电子的漂移时间及被分割开的通过测量电子的漂移时间及被分割开的通过测量电子的漂移时间及被分割开的通过测量电子的漂移时间及被分割开的n n++读出微条上的坐标就得到了读出微条上的坐标就得到了读出微条上的坐标就得到了读出微条上的坐标就得到了入射粒子的两维位置信息。

另外入射粒子的两维位置信息另外入射粒子的两维位置信息另外入射粒子的两维位置信息另外, , 电子在耗尽区漂移很长距离才到达电子在耗尽区漂移很长距离才到达电子在耗尽区漂移很长距离才到达电子在耗尽区漂移很长距离才到达面积很小的正电极面积很小的正电极面积很小的正电极面积很小的正电极, , 电极之间的电容很小电极之间的电容很小电极之间的电容很小电极之间的电容很小, , 因此噪声减小因此噪声减小因此噪声减小因此噪声减小, , 有利于提有利于提有利于提有利于提高能量分辨率高能量分辨率高能量分辨率高能量分辨率n n普通的半导体探测器的计数率一般在几十普通的半导体探测器的计数率一般在几十普通的半导体探测器的计数率一般在几十普通的半导体探测器的计数率一般在几十kHz kHz 以下以下以下以下, , 硅漂移室由于其硅漂移室由于其硅漂移室由于其硅漂移室由于其电容小电容小电容小电容小, , 相应的脉冲成形时间也很短相应的脉冲成形时间也很短相应的脉冲成形时间也很短相应的脉冲成形时间也很短( (大约为大约为大约为大约为100n s) , 100n s) , 硅漂移室的硅漂移室的硅漂移室的硅漂移室的漂移时间虽然比较长漂移时间虽然比较长漂移时间虽然比较长漂移时间虽然比较长, , 但它的计数率并不受此影响但它的计数率并不受此影响但它的计数率并不受此影响但它的计数率并不受此影响, , 硅漂移室允许计硅漂移室允许计硅漂移室允许计硅漂移室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, 并并并并且它有两维的位置分辨且它有两维的位置分辨且它有两维的位置分辨且它有两维的位置分辨, , 其中按漂移方向的位置分辨率可达到几个其中按漂移方向的位置分辨率可达到几个其中按漂移方向的位置分辨率可达到几个其中按漂移方向的位置分辨率可达到几个μ μmmn n它的缺点是电极结构复杂它的缺点是电极结构复杂它的缺点是电极结构复杂它的缺点是电极结构复杂, , 探测器价格较高探测器价格较高探测器价格较高探测器价格较高n n它的结构可分为以下几种类型它的结构可分为以下几种类型它的结构可分为以下几种类型它的结构可分为以下几种类型: : • •①①①①一维读出型一维读出型一维读出型一维读出型• •②②②②阳极被分割的两维读出型阳极被分割的两维读出型阳极被分割的两维读出型阳极被分割的两维读出型• •③③③③圆型圆型圆型圆型 • •④④④④ 多单元阵列型多单元阵列型多单元阵列型多单元阵列型SVTSVT（（（（Silicon Vertex TrackerSilicon Vertex Tracker））））2828§5-4 半导体探测器的应用半导体探测器的应用2929半导体探测器在高能物理实验中的应用半导体探测器在高能物理实验中的应用n n因为硅微条等新型半导体探测器的位置分辨率比气体因为硅微条等新型半导体探测器的位置分辨率比气体因为硅微条等新型半导体探测器的位置分辨率比气体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探测器、闪烁探测器的位置分辨率高一到两个数量级探测器、闪烁探测器的位置分辨率高一到两个数量级探测器、闪烁探测器的位置分辨率高一到两个数量级, , 所以在近十几年来所以在近十几年来所以在近十几年来所以在近十几年来, , 世界各大高能物理实验室都采用世界各大高能物理实验室都采用世界各大高能物理实验室都采用世界各大高能物理实验室都采用它作为顶点探测器。

如美国的它作为顶点探测器如美国的它作为顶点探测器如美国的它作为顶点探测器如美国的FERMI LAB FERMI LAB 的的的的CDF CDF 和和和和D0 D0 实验实验实验实验, SLAC, SLAC实验室的实验室的实验室的实验室的B B 介子工厂的介子工厂的介子工厂的介子工厂的BaBarBaBar 实实实实验验验验, , 欧洲高能物理中心欧洲高能物理中心欧洲高能物理中心欧洲高能物理中心CERN CERN 的的的的LEPLEP正负电子对撞机正负电子对撞机正负电子对撞机正负电子对撞机上的上的上的上的L 3L 3、、、、ALEPHALEPH、、、、DELPHIDELPHI、、、、OPALOPAL和和和和正在建造的正在建造的正在建造的正在建造的质子质子质子质子－－－－质子对撞机质子对撞机质子对撞机质子对撞机LHCLHC的的的的ATLASATLAS、、、、 CMSCMS及日本高能及日本高能及日本高能及日本高能物理实验室物理实验室物理实验室物理实验室KEK, KEK, 德国的德国的德国的德国的HARAHARA、、、、HARABHARAB实验等全实验等全实验等全实验等全采用了它采用了它采用了它。

采用了它n nLHCLHC的的的的ATLASATLAS、、、、 CMSCMS采用采用采用采用硅微条探测器代替漂移室硅微条探测器代替漂移室硅微条探测器代替漂移室硅微条探测器代替漂移室作径迹测量作径迹测量作径迹测量作径迹测量3030 美国费米实验室美国费米实验室美国费米实验室美国费米实验室D0D0D0D0实验采用硅微条探测器作顶点探测实验采用硅微条探测器作顶点探测实验采用硅微条探测器作顶点探测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为了增大覆盖立体角为了增大覆盖立体角为了增大覆盖立体角, , 除了桶部设计得比较长外除了桶部设计得比较长外除了桶部设计得比较长外除了桶部设计得比较长外, , 还设计了还设计了还设计了还设计了HH－－－－DISK DISK 和和和和F F－－－－DISKDISK这个顶点探测器所这个顶点探测器所这个顶点探测器所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用的硅微条探测器都是用交流耦合输出的用的硅微条探测器都是用交流耦合输出的用的硅微条探测器都是用交流耦合输出的, , 其桶部是其桶部是其桶部是其桶部是采用单边读出的硅微条探测器采用单边读出的硅微条探测器采用单边读出的硅微条探测器采用单边读出的硅微条探测器, , 而而而而HH－－－－DISK DISK 和和和和F F－－－－DISKDISK部分是采用双边读出的硅微条探测器。

读出电部分是采用双边读出的硅微条探测器读出电部分是采用双边读出的硅微条探测器读出电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子学都是采用集成电路子学都是采用集成电路子学都是采用集成电路SVXIIbSVXIIb, , 每一片每一片每一片每一片SVXIIbSVXIIb就就就就有有有有128 128 路读出3131大面积大面积大面积大面积   射线太空望远镜射线太空望远镜射线太空望远镜射线太空望远镜GLASTGLASTGGamma-ray amma-ray L Large arge A Area rea S Space pace T Telescopeelescope由美国由美国由美国由美国NASANASA和能源部支持和能源部支持和能源部支持和能源部支持及法国、意大利、日本、瑞及法国、意大利、日本、瑞及法国、意大利、日本、瑞及法国、意大利、日本、瑞典等参加的典等参加的典等参加的典等参加的GLAST GLAST 实验组实验组实验组实验组, , 为了研究宇宙中能量在为了研究宇宙中能量在为了研究宇宙中能量在为了研究宇宙中能量在2020－－－－300300300300 GeVGeV 的的的的   射线等射线等射线等射线等, , 研制了研制了研制了研制了GLASTGLAST，，，，其核心部分使用其核心部分使用其核心部分使用其核心部分使用了多层硅微条探测器了多层硅微条探测器了多层硅微条探测器了多层硅微条探测器, , 总面总面总面总面积大于积大于积大于积大于80m80m2 2, , 共共共共130 130 多万路多万路多万路多万路读出。

主要用来作为读出主要用来作为读出主要用来作为读出主要用来作为     → → → →e e- -+e+e++ 的对转换过程的径迹测量望的对转换过程的径迹测量望的对转换过程的径迹测量望的对转换过程的径迹测量望远镜3232在在核医学中的应用核医学中的应用19961996－－－－19991999核医学领域核医学领域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应用各种探测器的统计概况应用各种探测器的统计概况• • 透射法（透射法（透射法（透射法（X/ X/     穿过人体）：穿过人体）：穿过人体）：穿过人体）： X X光透视、光透视、光透视、光透视、   -CT-CT等等等等• • 放射法（短寿命同位素放射法（短寿命同位素放射法（短寿命同位素放射法（短寿命同位素 注入人体）：注入人体）：注入人体）：注入人体）：PETPET • • 要直接从图像中分辨出恶性要直接从图像中分辨出恶性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、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    mm3333硅微条硅微条硅微条硅微条X X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3434小结小结n n半导体探测器的种类很多，但大多数是基于加反向偏压半导体探测器的种类很多，但大多数是基于加反向偏压半导体探测器的种类很多，但大多数是基于加反向偏压半导体探测器的种类很多，但大多数是基于加反向偏压的的的的PNPN结n n探测器的灵敏区就是结型探测器的耗尽区，其中载流子探测器的灵敏区就是结型探测器的耗尽区，其中载流子探测器的灵敏区就是结型探测器的耗尽区，其中载流子探测器的灵敏区就是结型探测器的耗尽区，其中载流子浓度极低，电阻率很高，电场强度很大。

灵敏区厚度浓度极低，电阻率很高，电场强度很大灵敏区厚度浓度极低，电阻率很高，电场强度很大灵敏区厚度浓度极低，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确定了能探测粒子的最大能量确定了能探测粒子的最大能量确定了能探测粒子的最大能量半导体探测器有突出的优点：半导体探测器有突出的优点：半导体探测器有突出的优点：半导体探测器有突出的优点：1 1）非常好的位置分辨率；）非常好的位置分辨率；）非常好的位置分辨率；）非常好的位置分辨率；2 2）很高的能量分辨率；）很高的能量分辨率；）很高的能量分辨率；）很高的能量分辨率；3 3）很宽的线性范围；）很宽的线性范围；）很宽的线性范围；）很宽的线性范围； 4 4）非常快的响应时间非常快的响应时间非常快的响应时间非常快的响应时间n n因以上优点，半导体探测器在粒子物理与核物理实验中因以上优点，半导体探测器在粒子物理与核物理实验中因以上优点，半导体探测器在粒子物理与核物理实验中因以上优点，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、核医学数得到广泛应用，在天体物理、宇宙线科学、核医学数得到广泛应用，在天体物理、宇宙线科学、核医学数得到广泛应用，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。

字成像技术等领域的应用也迅速发展字成像技术等领域的应用也迅速发展字成像技术等领域的应用也迅速发展3535。