10.3.1 锂漂移半导体探测器在线视频

讲完了PN结型的半导体探测器

我们下面来看一下

锂漂移型的半导体探测器

那么锂漂移型的半导体探测器呢

它和我们前面讲的

PN结型的结是不一样的

这个地方我们要给它

形成一个PIN结

什么意思呢

这个地方要用到锂的漂移特性

我们来看一下

Li本身它作为杂质

在材料里面所起到的一个作用

Li是间隙型的杂质

也就是说它掺杂之后

在这个半导体材料里面

你要给它加上电场

Li是会移动的

这个和其它的杂质不一样

其它的杂质它叫替位型的杂质

晶格点是不能动的

我们只能它形成空间电荷

正电荷或者负电荷

但是它自己动不了

但是Li我们说它进去之后

它本身也会离化

因为它形成局部能级

我们说它的这个局部能级

电离能是很小的

只有0.033eV

所以室温下它也是离化的

也就是说电子已经走掉了

剩下一个锂离子

锂离子在电场的作用下

它也会移动

它的漂移速度

和你的电场强度有关系

和温度是有关系

当温度增大的时候

它的迁移率是增加的

就是漂移速度会增大

我们来看一下PIN结的一个形成

我们一般基体材料呢

我们是用P型半导体

这种情况下Li本身是施主杂质

所以它只能用P型半导体

来形成PIN结

这个P型材料本身

它的纯度也是可以做得比较高

这种情况下

我们在这种材料的一面

给它蒸上Li

蒸上Li之后

Li本身很快离化

形成Li离子

这个地方会形成一个PN结

本身人家基体材料是P型

你蒸上了Li

这个地方Li我们知道

它是一个施主杂质

形成一个N区

N区的话

所以P和N之间

中间的位置会形成一个PN结

然后我们给它另外一面

也给它蒸上金属引出电极

然后给它外加电场

当外加电场的话

是N这边是要高电位的

外加电场之后呢

我们让Li离子往里漂

那么Li离子往里漂的过程里头

它会遇到我们原来的

受阻杂质的晶格点

也就是受阻杂质的那个晶格点

本身是一个空间负电荷

Li离子是一个正电荷

它们俩相遇的时候

一定会有电的相互作用

电的相互作用的话

会使得Li离子

就留在了空间负电荷附近

它们俩结合了 中和了

中和了之后

我们知道

它不再受电场的作用了

所以那个Li离子就停在那

然后Li离子不断地往里走

它不断的去找

这样的空间负电荷去中和去

就找到了它就待住了

没找到就继续往前走

所以我们大家后面

还会不断有Li离子去补充进来

我们说这样的话

它会实现一个所谓的自动补偿

形成I区

形成一个本征区

当然这个本征区

是一个准本征区

最后我们会看到

没有Li离子漂移到的地方

还是P型的

Li离子漂移

而且自动补偿的部分

它是I区

然后Li离子还没来得及

漂移的那个地方

就是Li离子

浓度比较高的地方是N区

所以这个地方

就会形成一个PIN结

就是P区和N区之间

会形成一个本征区

这个本征区

和我们通常说的

准本征半导体的本征区

它又不一样

因为它是夹在P区和N区

中间的一个本征区

P区和N区分别都是有空间电荷的

也就是说那个空间电荷

使的P区和N区之间会有一个电场

也就是说夹在I区上面

会有一个电场

电场的存在会使得I区里面

载流子浓度很低

载流子浓度很低

电阻率就可以很高

电阻率高呢

就可以用来做探测器了

所以这个

我们用这张图去描述的

就是PIN结一个形成的过程

那么Li离子漂移过的区域

我们说它没有了空间电荷

所以对一个平面型结构

它是一个均匀的电场

这个就更像我们前面所说的

电离室里面的

平板型电离室里面的情况

因为中间没有空间电荷

所以中间这个地方电场

它是一个均匀的电场

由硅作为基体的探测器

我们把它称为硅锂探测器

如果本身基体材料是锗

那就叫做锗锂探测器

所以我们会看到这样的符号

Si(Li)就是一个锂漂移型的探测器

Ge(Li)就是一个锂漂移型的探测器

我们说锂离子

是用于漂移成探测器

唯一可用的这种施主型杂质

我们来看一下

它的空间电荷分布 电场分布

和电位分布

从我们前面的描述中可以知道

这个I区就是准本征区

它是一个完全补偿区域

没有空间电荷

它是一个电中性的一个区域

对于平面型结构的话

这个区域它是均匀电场的

这个区域我们刚才说了

两边分别有空间电荷

所以它通常的情况下是耗尽了

所以我们叫它耗尽层 耗尽区

电阻率可以达到

10的10次方欧姆厘米

实际这个电阻率比较高

这个区域其实是

探测器灵敏体积的主要部分

通常厚度达到10到20个毫米

所以这个厚度

已经可以用来测量γ射线了

这是它平面型结构的情况下

它的杂质浓度 电荷分布

电位分布和电场分布

我们可以看出来杂质浓度两边

分别都有N区和P区

都是有杂质浓度的

中间I区杂质浓度

就和两部分的杂质浓度是相等

所以宏观上

它不表示有杂质浓度

电荷是两边分别

有空间电荷的P区和N区都有

但是中间这个I区

它的电荷也是没有的

就是没有空间电荷了

所以它的电场

在中间这个区域是一个平的

也就是一个均匀电场的情况

当然电位分布

我们在一端给它加上V0

另一端接地

所以它的电位

会从V0到地这样的一个变化

我们来看一下

锂漂移探测器它的工作条件

为了降低探测器本身的噪声

和场效应管的噪声

以及探测器本身的表面漏电流

我们把探测器和场效应管

都放在真空低温的容器里面

工作在液氮温度下

当然这个工作在液氮温度下

其实主要是

Ge探测器的一个要求

我们说对锗锂探测器

由于锂在锗中的迁移率比较高

保存的时候

这个地方要注意

不是说工作的时候

而是指的保存的时候

就是完全不工作

你放在那不用的时候

也要把它放在低温环境下

而且也要求是液氮温度

这个防止Li和Ga离子的离解

所以这样的话带来一个问题

它保存的费用就很高

所以锗锂探测器

在高纯锗探测器发展了之后

已经被淘汰掉了

现在你想买这个锗锂探测器

也是买不到了

但是在几十年前

锗锂探测器

用的也是比较多的

硅锂探测器

我们说锂在硅中的迁移率

是比较低的

所以硅锂探测器

常温下保存是没有问题的

我们看一下它的工作原理

我们说锂漂移探测器的

I区是灵敏体积

入射粒子在I区损耗能量

产生电子空穴对

电子和空穴在电场的作用下

分别向两个区域漂移

会形成锂漂移探测器的

本征电流信号

这个电流信号

当然流过输出回路

在输出回路中就会形成

电压脉冲信号

电压脉冲信号的幅度

和入射粒子损耗

在I区的能量会成正比

所以锂漂移探测器

显然可以用来

测量入射粒子的能量

而且我们也知道

它的能量分辨率

是比较好的一种探测器

我们所以由于

锂漂移探测器的能量分辨率

大大的提高了

而且因为锂漂移探测器的

厚度可以做得比较厚

也就是灵敏体积可以比较大

所以它可以用来测量γ能谱

我们说它开创了

γ谱学的一个新的阶段

当然这个是和我们前面说的

用闪烁探测器

或者气体探测器

测量γ能谱比较而言的

当然测量γ能谱

主要用到的还是闪烁探测器

锂漂移探测器

和闪烁探测器去比较

这个图里面可以看成

是一个非常明显的对比

闪烁探测器测量了几个鼓包

这几个鼓包

分别对应的峰

可能有一定能量的γ射线

但是它能量的分辨能力有限

它挨得很近的那些能量

它是分辨不出来的

如果你用锗锂探测器去测量的话

你测到的是下面这条线

你会看到很多个比较细的尖

每一个细的这种尖

其实代表的

都是一种能量的γ射线

它可以把γ射线分得更开

然后对能谱分析来说

当然是非常重要的

刚才说了锂漂移探测器

其实是有问题的

它的问题就是像锗锂探测器

它需要在低温下保存

代价很高

而且生产的周期也比较长

锂漂移不是说你加上温度

给它电压

它一会儿就行的

它需要一个生产的周期

通常要一个月到两个月的时间

所以在有更新的

替代技术出现的时候

锗锂探测器

就退出这个历史舞台了

这个是关于

锂漂移探测器的一个描述