10.2.1 PN结半导体探测器的工作原理在线视频

下面我们来介绍

PN结半导体探测器

我们先来介绍一下

PN结半导体探测器的工作原理

首先来看一下

PN结它的基本特点

我们说PN结

可以看成是一个P型半导体

和一个N型半导体

组合在一块

所形成的一个结区

P型半导体和N型半导体

它的交界处有多数的载流子

分别像P型半导体是空穴

N型半导体的是电子

它会多数载流子

会向对方去扩散

这样的话在双方交界的

那个区域地方

会分别留下空间电荷

空间电荷对于P型半导体

留下的空间负电荷

N型半导体留下的是

空间的正电荷

这个空间电荷的形成

会使得这个区域形成一个电场

我们叫内电场

这个地方我们叫结区

结区内存在的势垒

也就是因为它是有电场的

所以这个区域我们叫势垒区

势垒区之内

它是所谓的耗尽层

耗尽层指的是这个地方

其实是没有载流子的

因为它有内电场的作用

在电场的作用下

在这个地方

它载流子很快被往两边去

拉到两边去了

所以中间这个地方

是没有载流子的

没有载流子

载流子浓度很低

就可以实现高的电阻率

所以我们说这个地方的电阻率

可以达到多高呢

可以达到10^10Ω·cm

比这个本身半导体材料的

电阻率要高得多

所以这个结区就形成了

我们可以作为探测器的一个基础

就是高的电阻率

同时我们载流子的寿命

没有明显的一个变化

所以这个是PN结半导体探测器

能够形成一个探测器的

一个基本的原理

我们看一下这个PN结

它的内部形成的电流

我们说PN结

它内部是有电流的

它的电流包括了哪几个电流呢

第一个电流

就是我们用If去表示它

这个电流指的是能量

比较高的多子

多数载流子它会穿透内电场

形成一个电流

当然这个电流是它的方向

和内电场的方向是相反的

这是我们叫多子电流

还有一个电流叫IG

也就说在结区内

它由于热运动

也会产生电子和空穴

当然在结区里面

产生的电子和空穴

在电场的作用下

它很快往两边跑

当然在电场的作用下形成的电流

显然它的电流的方向

和电场的方向是一致的

我们叫顺着内电场的方向

所形成的一个电流

这个电流的大小呢

显然和你这个结区的宽度

是成正比的

你结区越宽

它里面所形成的这个电流

也就越大

另外一个就是少子的扩散

形成的电流

少子指的是少数载流子

它本身也会扩散

少数载流子扩散到结区

在内电场的作用下

它漂移会形成一个电流

这个电流的方向

也是顺着内电场的方向的

通常情况下

如果没有外加的电场

中间这个电场中形成的电流

其实它这两个方向的电流

是要相等的

因为你没有这个外加电场

它本身像这个结区

一个PN结

我们把它看成一个二极管

它自己是不能够形成电流的

所以平衡状态下

逆着内电场方向的电流

等于顺着内电场方向的

两部分电流之和

一般情况下从外面来看

它是不表现出有宏观电流的

当然应用的时候

我们是要给它加上一个电压

我们叫加上反向电压

所谓的反向电压

是要在N上面加高压

就是正的电压

P那边加低的电压

这样的话会形成一个反向电压

反向电压我们说结区

它的电阻率很高

所以这个电压

其实几乎都加到了结区上面

加到结区上面的时候

我们说反向电压形成的电场

和内电场的方向是一致的

刚才我们看到那个内电场的方向

其实也是从N指向P的

是这样的一个情况

外加电场会使得你

这个结区的宽度增加

反向电压越高它的结区就越宽

再加上反向电压的时候

它的电流情况会有些变化

首先我们说这个少子扩散电流

它这个扩散子和你这个结区

它的面积有关系

所以这个扩散

少子扩散电流它是不变的

然后结区的体积加大了

也就结区的宽度增加了

所以它本身IG是增大的

刚才我们由于这个结区内部

产生的电流是增加的

然后结区电场变强 结区变宽

那么多子穿透电流它会减小

所以这个电流是减小的

另外一个反向电压

它也会产生所谓的漏电流

一般情况下是表面漏电流为主

也就说会多出一个电流来

前面我们看出有一个不变的

有一个增大的 有一个减小的

多出来一个电流

这样的话会使得

它宏观上会出现一个

从N指向P的一个电流

这个电流我们叫它叫暗电流

就说在反向电压使得结区

变宽的同时

IG增加 Is不变 If减少

就是逆着电场方向那个电流

它减小了

然后又出现了一个

顺着电场方向的漏电流

所以地宏观上会出现一个

顺着内电场方向的一个暗电流

这个暗电流

是这个半导体探测器

它的一个特点

我们看一下这个

外加电场下的PN结

我们在这个没有加

外加电场的情况下

它的结区是比较窄的

两边分别有空间电荷

N这边它是空间正电荷

P那边是空间负电荷

会形成一个内电场

内电场使得中间这个区域

是一个耗电层

然后加了外电场之后

通常情况下我们加的

外加的电压足够高的情况下

它会使得整个半导体材料

变得都成了一个结区

也就说这个结区增加 宽度增加

增加到整个半导体材料

都耗尽了 都耗尽的话

我们叫全耗尽的一个状态

一般情况下我们半导体探测器

可能都是工作在全耗尽状态

全耗尽的话整个半导体材料

都变成了探测器的灵敏体积

如果说只是部分耗尽的话

部分耗尽的那个区域

才是探测器的灵敏体积

这个一般不是我们工作的状态

所以一般工作在全耗尽的状态

全耗尽它的这个灵敏体积会增加

当然你在这种情况

全耗尽之后

再去增加这个工作电压

它的这个灵敏体积不会增加了

但是它的整个电场的强度

还是会增加的

我们来看一下

PN结半导体探测器

它的工作原理

PN结半导体探测器是工作于

反向偏压下的一个PN结

当然通常情况下

是全耗尽的一个状态

整块材料都是PN结

都是探测器的灵敏体积

入射粒子在PN结里面消耗能量

产生电子空穴对

电子空穴对在电场的作用下

会定向漂移

相应的在外回路里面

就会形成信号

信号形成的物理过程

我们可以参见电离室里面的信号

形成的物理过程

这个过程描述是一样的

但是我们要知道

它的电场特征是不一样的

电场特征不一样呢

是因为我们前面讲

气体探测器的时候

气体里面它是没有电荷的

没有空间电荷的

也就说它的电压

是加到两个极板上

然后中间的电场

如果是一个平板型结构的话

中间的电场是一个均匀电场

但是PN结型的半导体探测器

它中间是有电荷存在的

有空间电荷的存在

你虽然加了一个电压

两边形成一个 这样的话

中间的电场其实它各个地方

还是不一样的

那我们来看一下PN结区的

空间电荷分布

电场分布和电位分布

PN结里面我们知道

N区和P区

它都是有空间电荷的

在全耗尽的状态下

N区它的电荷密度

其实就是这个e乘以ND

也就说在这个区域里面

全是空间正电荷

空间正电荷的浓度

就是我们掺杂的

那个施主杂质的浓度

然后在P区这边

它都是空间负电荷

空间负电荷的这个浓度

就是我们掺杂的

受主杂质的浓度

一般情况下我们说

这两边 这个结区两边的厚度

其实不一定是相等的

取决于什么呢

其实取决于两边的杂质浓度

我们知道耗尽状态下

结区总的电荷量是零

就说你宏观上

是没有空间电荷的

也就说ND乘以a

应该等于NA乘以b

所以从这个地方可以看出来

两边的这个厚度就是a的b

其实就取决于你这个掺杂的浓度

掺杂的浓度越高那边就越薄

掺杂的浓度越低那边它就越厚

所以通常情况下我们

是一边很薄 一边比较厚

形成这样的一个PN结

PN结由于它有空间电荷的分布

所以它的电场就不是

一个均匀的电场

我们说它是一个非均匀电场

当然这个我们指的是一个

平板型的结构

平板型的结构我们知道

在电离室里面

它是一个均匀电场

但是在PN结这种情况下

即使是平板型的结构

由于空间电荷的存在

它也不是一个均匀的电场

我们可以用这样的表达式

分别把它两边的电场

给它表达出来 可以看出来

电场强度最强是在什么地方呢

正好是在PN结的

结区的角截面上

所以这个的电场强度最强

然后从两边逐渐再减少

这样的一个电场的情况

它的电位分布

我们可以把电场做积分

就可以得到了

所以我们可以得到

它的一个电位的分布

如果我们加的

这个工作电压是V0

另外一边就P的那边接地的话

我们可以看到它的电位分布

N那边就是V0

然后逐渐减小到0

这样的一个情况

这是它的这个电位分布

我们知道在X等于0的地方

就是P区和N区的

这个角截面的地方

当然两边的电位是相等的

电位是连续的

我们把它的表达式写出来

我们又知道NDa等于NAb

也就两边的这个空间电荷的

总量是相同的

我们就可以得到

下面这个表达式

就是(a+b)×b=2εV0/(eNA)

结区的或者是耗尽区的总宽度

是a+b

刚才说了一般情况下

a和b并不相等

往往差的比较多

所以我们说当ND

远远大于NA的时候

也就是b远远大于a的情况下

这个时候W是约等于b的

当NA远远大于ND的时候

这种情况下a会远远大于b

W就是结区的这个总的宽度

可以用a去表示

一般情况下我们用下面

最下面这个表达式

去表示结区的宽度

我们可以看出来

这个结区的宽度

显然和你的工作电压是有关系的

你的工作电压越大

它的结区就越宽

当然这个结区的宽度

最终还是受你材料本身

厚度的限制

就说你全耗尽了

你再工作电压增加

它结区的宽度也不会再增加

这个式子里面的Ni呢

指的是掺杂浓度小的

那边的杂质浓度

所以我们可以看出来

这个结区的宽度

其实受那个掺杂浓度比较小的

那个杂质浓度的影响

所以我们希望你这个杂质浓度

尽量小一点

杂质浓度越小

相应的那个结区就会越厚

做探测器的时候

我们知道有的时候我们希望

探测器厚一点

灵敏体积大一点

所以这种情况下

我们一定要杂质浓度小

杂质浓度小就是什么呢

纯度高

所以纯度高到一定程度

它就可以做得很厚

所以后面我们会看到

高纯锗探测器

其实就是杂质浓度很小的锗

作为一种材料

然后再做PN结

形成的一个探测器

它可以做的厚度比较厚

几个厘米这样的厚度

我们看一下结区宽度本身

它的一个情况

我们说结区宽度

它是有限制的

刚才说了V0的增加

就工作电压增加 结区会变宽

但是首先它会受这个材料的击穿电压的限制

我们可以把这个

PN结半导体探测器

理解成一个二极管

二极管我们知道

反向加偏压也是可以的

但是它有一个限制

你不能无限的加高的电压

电压高到一定程度

它会反向击穿它

击穿了这个就不能再用了

所以我们要知道

这个工作电压

不能加得无限的高

另外一个就是

受到暗电流的限制

也就是说即使你的

还没到击穿的这种情况

它还没有被击穿

但是你的工作电压越高

其实暗电流也是越大的

你暗电流大到一定程度

探测器的性能反而会下降

所以我们一般用

半导体探测器的时候

你都需要去测量一下

工作电压不同的情况下

它的测量的能量分辨率怎么样

也就说我们可以找到一个

某一个范围的工作电压

使得它能量分辨率比较好

可能你的工作电压低了

也不是太好

工作电压比那个

我们找的那个范围更高了

可能能量分辨率

反而也是会变差的

所以这个情况

大家也是要注意一下

当然我们说结区宽度

最终是受材料厚度的限制

一般情况下

我们都是在全耗尽状态下去工作

结区呢 它本身也是有电容的

我们说这个根据结区电荷

随外加电压的一个变化率

我们可以计算得到

单位面积的结区电容

这个表达式里面

我们可以看到结区电容

其实和你这个结区的厚度

直接相关

结区厚度我们又知道

它和工作电压直接相关

所以可以看出来结区的电容

和工作电压之间是有关系的

也就说结区电容会随着

外加电压的变化而变化

如果你的外加电压

不是那么稳定

你的结区电容就不稳定

结区电容不稳定

它有一个主要的问题是什么

最后形成的信号

信号的那个幅度就会不稳定

这个是我们特别要

消除的一个问题

前面我们讲气体探测器的时候

它的电容是不受

你工作电压的影响

它只和它的结构

和这个材料、和这个气体

等等有关系

但是和你的电压的大小

其实是没关系的

但是这个地方

我们可以看出来

PN结半导体探测器

它的结电容和工作电压有关系

工作电压的波动

会影响到结电容的变化

结电容的变化

在电荷量一定的情况下

Q/C

就是我们得到的那个

最大的输出电压脉冲信号的幅度

这个幅度它就会有变化

我们希望能量分辨率好

是希望这个电压不变

所以我们要消除工作电压

对于结电容这个影响

所以我们后面用到的放大器

就要有一个特殊的处理

就说这个PN结半导体探测器

它后面用到的前置放大器

需要用到电荷灵敏型的

前置放大器

这个就是PN结半导体探测器

工作原理