10.2.2 PN结半导体探测器的输出信号在线视频

下面我们来介绍

PN结半导体探测器的输出信号

我们先把PN结半导体探测器

它的输出回路

把它的整个电路画出来

然后找到它的输出回路

这个地方和前面我们处理

另外两种探测器不同的地方在于

我们考虑半导体探测器的时候

需要考虑它结区不光是有电容

而且是有电阻

也就说它的电阻率没那么高

所以我们考虑

它有一个结电阻

有一个结电容

如果你的半导体探测器

不是工作在全耗尽状态下的话

它结区外面

它也会有材料本身的

一个电阻和电容

所以我们用Rs和Cs去表示它

所以我们把这个半导体

PN结半导体探测器

等效成一个电流源

这个电流源还是那个本征电流

它的内部和电子空穴漂移

所以形成的那个电流

我们叫它本征电流

这个和气体探测器一样

这样一个电流源

并上它本身结区的电阻

结区的电容

再串上就是结区外面的

电阻和电容

这么一个情况

这是它的一个回路

然后我们在接上附带电阻

再接上测量仪器

当然还要考虑杂散电容的存在

另外一个重要的地方

在于你加电压的时候

一定要加反向的偏压

也就是N那边是高压

然后P那边电压要低

这样的话才是它工作状态

也就是这个二极管

我们是反向加压的

不能正向加压

得到了这样一个输出回路之后

我们把它进一步做简化

一般情况刚才说了

我们是让它工作在全耗尽状态

全耗尽状态的话

也就说结区外面的电阻电容

我们给它忽略掉

这样的话得到的这个结果

和我们前面探测器的

那个等效电路其实变成一样了

只不过这个里面的R0

包括了三个部分

包括了这个结区的电阻

包括了负载电阻

包括了测量电路

本身的输入电阻

三个部分的一个并联

然后C就是它的电容

我们为了就是

把这个结电容和其它的电容

给它分开

我们知道结电容

随着工作电压是变化的

所以我们把这个结电容

给它拿到外面来

然后其它的部分电容

我们用Ca去表示

它包括了杂散电容

和测量电路的输入电容

所以最后我们也可以写出

这样一个输出回路

在电路信号已知的情况下

R0上面所形成的电压信号

它的一个关系

这个关系我们前面已经讲过

这个地方不再重复

用一个微分方程

去描述它就可以了

所以在这种情况下

如果I0(t)已经知道了

V(t)我们解这个方程

就可以得到了

这和我们前面分析电离室的

输出信号是一样的

我们来看一下

这个载流子的收集时间

也就是这个电流的持续时间

是多少

我们可半定量的估算一下

PN结探测器中

载流子的收集时间

这个载流子的收集时间

我们可以用一个公式去描述它

tc是载流子的收集时间

它等于4.6×10^-2×ε×ρ

ρ是这个电阻率

然后ε是它的介电常数

然后tc就是收集时间

例如我们是硅的材料

我们可以把分别的参数放进去

可以得到tc是多少呢

差不多是4.9个纳秒

所以我们说

PN结半导体探测器

载流子的收集时间是纳秒量级

这个电流

也就是电流的持续时间了

本征电流的持续时间很短

所以它的电压脉冲信号的

上升时间可以很快

这个是半导体

就PN结半导体探测器

它的时间的特性

其实是可以做得比较好的

我们看它的输出信号

首先看一下它的输出电荷信号

电荷信号

如果我们选择回路里面的R0 C0

也就是R0×(Cd+Ca)>>tc

tc是这个载流子收集时间

或者电流的持续时间

在这种情况下

PN结半导体探测器

它和我们前面讲述的

离子脉冲电离室是类似的

输出的电荷信号

就是N×e

N呢 就是这个载流子的数目

就是E/W

所以这个得到的电荷信号

Q=E/W×e

这是它输出的电荷信号

一般情况下

我们当然也是R0 C0

远远大于tc的

电流信号就是电子

和空穴在电场作用下

定向漂移所以形成的

形成的PN结半导体的

本征电流信号

我们可以用两部分去表示它

一个是I+(t)

就是空穴漂移

所形成的电流信号

I-(t)是电子漂移

所形成的电流信号

根据我们前面分析

电离室输出的电流信号

我们知道这两部分电流信号

它的方向其实是一致的

所以是直接一个相加的关系

而且我们前面

刚刚说过电子和空穴

它的漂移速度是差不多的

就是差别没那么大

所以这两部分电流

我们可以认为

它持续时间是差不多的

这个是它的一个输出电流信号

它输出的电压脉冲信号

我们就可以这样

得到它的具体形式

它基本上是一个上升很快的

这样的一个电压脉冲信号

上升快是因为它的tc比较小

就是说脉冲前沿其实是由tc

它的大小来决定的

上升很快

如果我们的R0 C0足够大的话

这种情况下

能够得到它

输出电压脉冲信号的

数值是多少呢

是N·e/C0

当然这个C0=Cd+Ca

这是它输出的

电压脉冲信号的幅度

这个里面的N呢

我们知道它是E/W

E呢 就是这个辐射损耗在你

探测器灵敏体积里面的能量

所以看出来这个E和h之间

就是和这个电压脉冲信号的

幅度之间会形成一个正比关系

当然这个正比关系要求

Cd+Ca是常数

它不能变 它要变了

这个正比关系就被破坏掉了

然后我们再看它的后沿

它的后沿是一个

指数衰减的一个情况

这个时间常数

衰减的时间常数

R0×C0

就是R0×(Cd+Ca)

这样的一个情况

这是它输出的电压脉冲信号

所以一般情况下

我们都是让它工作在

所谓的电压脉冲形的工作状态

就R0·C0>>tc

刚才说了h=N·e/(Cd+Ca)

我们说了这个结电容

和工作电压是有关系的

结电容随着工作电压它会变

你工作电压高了 大了

它这个Cd是变小的

所以这个情况

我们说当你所加的偏压

不是那么稳定的时候

我们知道任何一个工作电压

它都是有波动的

我们叫它有纹波

或者什么样的一个变化

这种情况下就会把这个变化

转移到Cd的变化上去

也就说它的结电容在变化

结电容一变 好

这个h就发生了变化

就是h有一个由于偏压的变化

而产生的变化

显然我们说这个是不利于

我们能谱测量的

我们能谱测量希望h和N之间

是一个很好的正比关系

如果你这个变化加进去

显然这个正比关系

就被破坏掉了

我们要想办法消除

或者减小这种影响

怎么解除呢

就是我们要用电荷灵敏性的放大器

来作为它信号的

就是第一极的放大器

电荷灵敏放大器

它的特点是输入电容很大

输入电容大

也就是C入>>Cd

这种情况下

我们只要保证你这个输入电容

是稳定的就可以了

因为你Cd的变化

不会影响到Cd+C入

就说它的变化使得你这个

两个电容之和的变化是比较小的

这样的话就会减小偏压波动

对于信号的影响

我们说如果电荷灵敏前置放大器

的反馈电容和反馈电阻

分别是Cf和Rf的话

这个放大器输出脉冲的幅度

我们就可以给它表示出来

这个是多少呢

h=Ne/Cf

这个Cf是这个

电荷灵敏前置放大器

本身的反馈电容

输出回路的时间常数

这个指的是这个电荷灵敏前置放大器

输出的时间常数

是Rf乘以Cf

当然这个是τ0

电荷灵敏前置放大器

它的特点是Rf会很大

通常是在G欧姆以上

这样的一个量级的电阻

所以这个Rf·Cf其实是一个

比较大的一个时间常数

我们通常可能是在毫秒量级

这样的一个情况

这个就是PN结半导体探测器

它的输出信号

大家要记住

PN结半导体探测器输出信号

直接的输出信号

要用电荷灵敏前置放大器去处理

你不能用这个电压或者电流的

这种前置放大器去处理