半导体探测器最新进展概要

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1、半导体探测器最新进展半导体探测器最新进展 核辐射探测器的原理核辐射探测器的原理 半导体探测器的发展半导体探测器的发展 半导体探测器的原理半导体探测器的原理 半导体探测器的最新应用半导体探测器的最新应用2 核辐射探测的基本原理是核辐射探测的基本原理是借助粒子借助粒子与与宏观物质的宏观物质的相互作用。相互作用。一般来讲，粒子（或各种辐射）穿过探测介质一般来讲，粒子（或各种辐射）穿过探测介质时，借助于各种相互作用产生了电荷或光子。电荷时，借助于各种相互作用产生了电荷或光子。电荷借助于电场或磁场而被导向电极收集，光子则借助借助于电场或磁场而被导向电极收集，光子则借助于各种光学办法接收到光电转换器或接收

2、器上。于各种光学办法接收到光电转换器或接收器上。一、核辐射探测器原理一、核辐射探测器原理3 4带电粒子带电粒子中性粒子中性粒子电磁相互作用电磁相互作用电子电子离子离子可见光可见光转化为电信号转化为电信号收集收集放大放大接收接收处理输出处理输出电脑电脑二、半导体探测器的发展二、半导体探测器的发展 麦凯首次提出用半导体探测射线（麦凯首次提出用半导体探测射线（19491949）19561956年开始被用作年开始被用作粒子探测粒子探测 硅硅P-NP-N结半导体探测器（结半导体探测器（19601960）硅锂漂移半导体探测器（硅锂漂移半导体探测器（19601960）锗锂漂移半导体探测器（锗锂漂移半导体探测

3、器（19621962）高纯锗（高纯锗（HPGeHPGe）半导体探测器（）半导体探测器（7070年代）年代）化合物半导体探测器（化合物半导体探测器（9090年代末）年代末）迈耶迈耶（1814-18781814-1878）三、半导体探测器的原理三、半导体探测器的原理1、P-N结半导体探测器结合前：结合前：N N区的电子比区的电子比P P区多，区多，P P区的空穴比区的空穴比N N区多。区多。结合后：结合后：电子由电子由N N区向区向P P区扩散与区扩散与空穴复合；空穴由空穴复合；空穴由P P区向区向N N区扩散区扩散与电子复合。剩下的杂质正负离与电子复合。剩下的杂质正负离子形成空间电荷区，其内建电

4、场子形成空间电荷区，其内建电场方向由方向由N N区指向区指向P P区，阻止电子、区，阻止电子、空穴继续扩散。结果形成稳定的空穴继续扩散。结果形成稳定的PNPN结结 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，使结区宽度增加。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。应用：带电重粒子测量。2、锂漂移半导体探测器（、锂漂移半导体探测器（x、射线探测）射线探测）基体用基体用P P型半导体，再掺杂，例如掺硼的型半导体，再掺杂，例如掺硼的SiSi或或GeGe单晶。单晶。(1)(1)一端表面蒸一端表面蒸LiLi，LiLi离子化为离子化为LiLi+,形成形成

5、PNPN结。结。(2)(2)外加电场，使外加电场，使LiLi+漂移。漂移。LiLi+与受主杂质与受主杂质(如如B B-)中和，形成中和，形成本征层。本征层。锂漂移型探测器是准本征材料和锂漂移型探测器是准本征材料和PNPN结的组合。结的组合。PN+Intrinsic SemiFront metallizationTo positive bias voltageFront metallization3、化合物、化合物(CdZnTe)半导体探测器半导体探测器(射线射线)当射线与当射线与CdZnTeCdZnTe晶体发生相互晶体发生相互作用时，产生的光电子和康普顿电作用时，产生的光电子和康普顿电子等带电

6、粒子把子等带电粒子把CdZnTeCdZnTe化合物半导化合物半导体满带（价带）中的电子激发到导体满带（价带）中的电子激发到导带，满带出现带正电的载流子带，满带出现带正电的载流子空空穴，导带出现带负电的载流子穴，导带出现带负电的载流子电电子，即电子子，即电子空穴对。电子和空穴空穴对。电子和空穴在探测器两电极上外加电场的作用在探测器两电极上外加电场的作用下向正负电极漂移，在电极上感应下向正负电极漂移，在电极上感应出电荷，电荷的积累形成电信号。出电荷，电荷的积累形成电信号。4、单光子雪崩光电二极管探测器、单光子雪崩光电二极管探测器 雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APDAPD）是一种在）是一种在PN

7、PN结上进行重掺杂而形结上进行重掺杂而形成的光电探测器，基于碰撞电离和雪崩倍增的物理机制对光电成的光电探测器，基于碰撞电离和雪崩倍增的物理机制对光电流进行放大。在反偏压下，流进行放大。在反偏压下，APDAPD的的PNPN结区存在强电场，光子入结区存在强电场，光子入射后激发的自由载流子受到强电场的作用而进行快速漂移，因射后激发的自由载流子受到强电场的作用而进行快速漂移，因而具备极高的概率与晶格发生碰撞电离，产生新的电子空穴对而具备极高的概率与晶格发生碰撞电离，产生新的电子空穴对，新生的电子空穴对继续碰撞晶格，碰撞电离继续发生，新的，新生的电子空穴对继续碰撞晶格，碰撞电离继续发生，新的电子空穴对也

8、不断产生，电子空穴对也不断产生，PNPN结内的自由载流子越聚越多，形成结内的自由载流子越聚越多，形成雪崩倍增。雪崩倍增。单个光子入射到单个光子入射到单光子单光子雪崩光电二极管雪崩光电二极管（SPADSPAD）表面表面时，通过光电效应激发出一个载流子，进而触发雪崩过时，通过光电效应激发出一个载流子，进而触发雪崩过程，引起一个非常程，引起一个非常大大的雪崩信号，从而的雪崩信号，从而实现实现单个光子的单个光子的探测。探测。四、半导体探测器的最新应用四、半导体探测器的最新应用1 1、电荷耦合器件探测器、电荷耦合器件探测器CCDCCD CCDCCD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

9、多的MOS(MOS(金属氧金属氧化物半导体化物半导体)器件，每个器件，每个MOSMOS器件类似一个小半导体探器件类似一个小半导体探测器。测器。2、像素探测器、像素探测器(Pixel)像素像素(Pixel)(Pixel)探测器是由许多精心设计非常小的探测器是由许多精心设计非常小的PN PN 结组成的结组成的,它能够非常快的提供信息。每一个小它能够非常快的提供信息。每一个小室室(cell)(cell)都连接它自己的读出电子学都连接它自己的读出电子学。3 3、硅微条探测器、硅微条探测器 硅微条探测器是在一个硅微条探测器是在一个n n型硅基半导体的表面上附着一型硅基半导体的表面上附着一条条重掺杂条条重

10、掺杂p+p+型微条，将整个硅基底面做成重掺杂的型微条，将整个硅基底面做成重掺杂的n+n+层而层而制成的。整个硅微条探测器实际上就是一些平行的制成的。整个硅微条探测器实际上就是一些平行的PNPN结。结。丁肇中先生领导的丁肇中先生领导的AMSAMS组组,将将磁谱仪磁谱仪AMS(Alpha AMS(Alpha MagneticMagnetic Spectromenter)Spectromenter)送到国际空间站送到国际空间站,在宇宙线在宇宙线中寻找反物质和暗物质。中寻找反物质和暗物质。AMS AMS 的中间核心部分的多层的中间核心部分的多层径迹室都是采用双边读出的径迹室都是采用双边读出的硅微条探测器。硅微条探测器。2013年4月3日，相关实验论文正式发表，根据论文摘要，在能量范围0.5 to 350 GeV之间，已收集了大约六百多万个正电子与电子，已观察到超过四十万多个正电子。谢谢！谢谢！