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1、半导体探测器原理和性能以及碲锌镉探测器原理2.1基本半导体探测器原理2.1.1 基本半导体探测器原理如图2.1.11 所示，半导体探测器有两个电极，并且在两个电极上加有偏压。 当入射粒子进入半导体探测器的灵敏区时，粒子与晶体发生相互作用产生电子 空穴对。在外电压的的驱动下，电子 空穴对分别向两级做漂移运动，从而在收集 电极上产生感应电荷。产生的感应电荷将在外电路上产生脉冲信号5。图2.1.1-1半导体探测器的工作原理图2.1.2 基本半导体探测器性能半导体探测器的主要优点5：（1）具有很高的能量分辨率。电离辐射在半导 体介质中产生一对电子-空穴对平均所需能量大约为在气体中产生一对离子所需 要能
2、量的十分之一，即：同样能量的带电粒子在半导体中产生的离子对数要比在 空气中产生的大约多一个数量级，因此电荷数的相对统计涨落也就小很多，所以 半导体探测器的能量分辨率很高。（2）具有极高的空间分辨率和快时间响应特性。 由于半导体晶体密度远大于空气的密度，所以粒子在半导体中产生的电离密度大 约是在一个大气压的气体中产生的1000倍，因此当测量具有较高能量的电子或Y 射线时气体探测器的尺寸要比半导体探测器的尺寸大很多，因而半导体探测器具 有高空间分辨率和快时间响应的特性。（3）测量电离辐射的能量时，线性范围很 宽。半导体探测器的主要缺点：（1）半导体材料在受到强辐照后性能就会变差。因此半导体探测器对
3、辐射损伤较灵敏。（2）有些半导体探测器对工作环境的条件 要求比较苛刻，需要在低温条件下工作，甚至需要在低温下保存，使用很不方便。2.2 伽马射线与半导体探测器的相互作用2.2.1 光电效应光电效应6是具有一定波长的伽马光子将自身的能量全部转移给靶物质中 原子的束缚电子，导致束缚电子发射出去变为自由电子，而伽马光子自身消失的 过程，如图 2.2.11 所示。而发射出去的电子称为光电子。伽马光子被吸收的能 量并不是全部转化为了光电子的动能，其中有一部分能量转化为了电子脱离原子 束缚所需要的电离能。发生光电效应的概率与靶物质的原子序数以及束缚电子所 在的壳层有关。实验表明光电子的方向时随机的。E对线
4、光电子原子图 2.2.1-1 光电效应过程示意图2.2.2 康普顿效应康普顿效应又称康普顿散射7， 它是由于伽马光子与靶物质原子的核外电子 发生了非弹性碰撞，伽马光子将自身的能量一部分转移给了靶原子的核外电子， 使电子反冲出靶物质，该电子称为反冲电子，而光子的能量和运动方向都发生了 一定的改变，该光子称为散射光子，原来的伽马光子称为入射光子。见图 2.2.21 为康普顿效应示意图。康普顿效应与光电效应很类似但却完全不同。光子发生 康普顿效应时只是损失了一部分能量，而发生光电效应时光子的能量全部转移给 了束缚电子，自身消失。发生光电效应产生的光电子的运动方向时随机的，而康 普顿散射具有一定的角分
5、布。E反射 电子入射光子1 &嵌射角图 2.2.2-1 康普顿效应过程示意图2.2.3 电子对效应电子对效应是伽马光子的能量超过 1.02MeV 时，入射的伽马光子将在靶物 质中原子核的库仑场作用下转变为具有一定动能的正-负电子对。见图 2.2.3-1e+11 vI皿原f核电子对图 2.2.3-1 电子对效应过程示意图实验表明上述三种效应对于靶物质的原子序数和入射的伽马光子的能量具 有一定的依赖关系5见 图 2.2-1。不同的情况下发生三种效应的概率时不同的， 具体情况如下：1、对于能量比较低的伽马射线和靶物质的原子序数比较高的情况来说，光 电效应相对有明显优势。2、对于能量适中的伽马射线和靶
6、物质的原子序数较低的情况来说，康普顿 效应占相对优势。3、对于能量比较高的伽马射线和靶物质的原子序数也较高的情况，电子对 效应占有绝对优势。图 2.2-1 射线与物质相互作用的主要三种方式2.3 碲锌镉探测器2.3.1 碲锌镉晶体碲锌镉晶体材料原子序数比较大（Cd=52、Zn=30、Te=48）,密度为5.85g/cm3 能够使晶体和X射线和伽马射线更好地发生反应，因此它的探测效率更高。禁 带宽度大于1.5eV并且在一定范围内碲锌镉晶体的禁带宽度随材料中锌的含量 增加而增加，这样可以减小漏电流。常温下碲锌镉材料电阻率约为100GQ，其电 阻率较高，可以有效减小背景噪声同时提高工作效率刃。碲锌镉
7、晶体与金刚石类似属于立方晶系，但是碲锌镉晶体由两类完全不同 的原子构成。如图2.2.1-1所示为碲锌镉晶体晶格结构示意图。 Cd Zu O =e图2.2.1T碲锌镉晶体晶格结构示意图2.3.2碲锌镉半导体探测器工作原理碲锌镉半导体探测器的工作原理a顾名思义和半导体的工作原理相同。碲锌 镉晶体的阳极为阵列型像素阳极，阴极为平面型阴极，入射的粒子从晶体的阴极 射入晶体中，并将自身的部分能量或者全部能量转化为电子-空穴对，在外加偏 压的作用之下电子-空穴对分别向晶体的两级迁移，产生的感应电荷被阳极像素收集起来，再经前端电子学电路的一系列处理就能够成像。见图2.2.2-1为碲锌 镉半导体探测器工作原理
8、图。屯荷灵敏栽冒放大器笔道脉冲4渡分析器数卅採集和处|!阴极图2.2.2-1碲锌镉半导体探测器工作原理图2.3.3 碲锌镉半导体探测器的优越特性碲锌镉半导体探测器在核辐射探测方面具有很高的优越特性11，因此近年来 广受相关业界人士的亲睐。具体优越特性如下：碲锌镉晶体的相对原子序数大 约为50并且密度为5.8g/cm3因此碲锌镉探测器对低能的伽马射线具有良好的吸 收效率和较高的灵敏度。碲锌镉晶体的阳极像素可以做得很小，因此具有较高 的空间分辨率。在室温下碲锌镉晶体也具有较宽的禁带宽度，因此碲锌镉探测 器可以在常温下良好运行工作该特点明显优越于高纯锗半导体探测器碲锌镉 晶体的电阻率较高约为100G
9、Q因此可以有效减小背景噪声同时提高工作效率 碲锌镉半导体探测器对光子更敏感，其产生的感应电流远远大于闪烁体探测器， 因此碲锌镉半导体探测器可以在脉冲模式和电流模式下工作2.3.4碲锌镉半导体探测器的分类当今国际上按照碲锌镉探测器的结构分为金属半导体金属探测器、共面栅探 测器和像素阵列探测器12。最简单的平板碲锌镉探测器就是金属半导体金属 (MSM )探测器了，目前工业上制作的稳定性较好的碲锌镉半导体探测器就是 MSM探测器，其金属层一般用Au，In和Pt等金属。但是现在还无法用于射线光 谱探测，原因是由于低能能量尾迹没有很好的解决方案。共面栅探测器。碲锌 镉半导体探测器的空穴收集特性相对较差从
10、而导致能量分辨率和电荷收集率较 差。为了解决这一问题科研人员通常采用电学方法和设计各种探测器结构来提高 探测器的能量分辨率和电荷收集效率。而通过改变探测器的电极形状来提高能量 分辨率的各种方法有一个共同的特点，那就是收集到的电荷依赖于阳极附近电子 的运动，从而导致收集到的感应电荷与电子空穴对产生的深度和空穴运动无关， 这些器件被人们称为单极性器件。1994年由LukePN提出的共同栅技术获得了良 好的能量分辨率以及接近全体积的光峰效率，具有良好的发展前景像素阵列探 测器，碲锌镉阵列探测器常常被用于成像系统中，其具有阵列型阳极像素和平面 型阴极，每一个阳极像素所收集到的信号都包含了输入信号的位置信息，经过后 续电路的整合处理就能够得到探测对象的图像信息。但是由于相邻像素存在电荷 分摊现象，从而碲锌镉晶体阳极像素越小导致电荷分摊现象越严重。Wangerin等 人经过长时间的研究得到了校正因子，从而解决了电荷分摊的的问题。
半导体探测器原理和性能以及碲锌镉探测器原理
