半導(dǎo)體探測器

2009/11/11 21:47:00

半導(dǎo)體探測器（semiconductor detector）是以半導(dǎo)體材料為探測介質(zhì)的輻射探測器。最通用的半導(dǎo)體材料是鍺和硅，其基本原理與氣體電離室相類似全面協議。半導(dǎo)體探測器發(fā)現(xiàn)較晚，1949年麥凱（K.G.McKay）首次用α 射線照射PN結(jié)二極管觀察到輸出信號(hào)堅持先行。5O年代初由于晶體管問世后講實踐，晶體管電子學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。

半導(dǎo)體探測器有兩個(gè)電極影響，加有一定的偏壓相關性。當(dāng)入射粒子進(jìn)入半導(dǎo)體探測器的靈敏區(qū)時(shí)，即產(chǎn)生電子-空穴對(duì)持續發展。在兩極加上電壓后更加廣闊，電荷載流子就向兩極作漂移運(yùn)動(dòng)﹐收集電極上會(huì)感應(yīng)出電荷，從而在外電路形成信號(hào)脈沖合作。但在半導(dǎo)體探測器中，入射粒子產(chǎn)生一個(gè)電子－空穴對(duì)所需消耗的平均能量為氣體電離室產(chǎn)生一個(gè)離子對(duì)所需消耗的十分之一左右，因此半導(dǎo)體探測器比閃爍計(jì)數(shù)器和氣體電離探測器的能量分辨率好得多勇探新路。半導(dǎo)體探測器的靈敏區(qū)應(yīng)是接近理想的半導(dǎo)體材料長遠所需，而實(shí)際上一般的半導(dǎo)體材料都有較高的雜質(zhì)濃度，必須對(duì)雜質(zhì)進(jìn)行補(bǔ)償或提高半導(dǎo)體單晶的純度擴大。通常使用的半導(dǎo)體探測器主要有結(jié)型非常完善、面壘型、鋰漂移型和高純鍺等幾種類型（下圖由左至右）讓人糾結。金硅面壘型探測器1958年首次出現(xiàn)不斷完善，鋰漂移型探測器60年代初研制成功，同軸型高純鍺(HPGe)探測器和高阻硅探測器等主要用于能量測量和時(shí)間的探測器陸續(xù)投入使用全面革新，半導(dǎo)體探測器得到迅速的發(fā)展和廣泛應(yīng)用勞動精神。

半導(dǎo)體探測器輸出脈沖幅度與能量成正比﹐可用來測量能量﹐能量分辨率高于正比計(jì)數(shù)器﹑閃爍計(jì)數(shù)器﹔脈沖上升時(shí)間較短﹐可用于快速測量﹔窗可以做得很薄﹐可測量低能X射線﹔結(jié)構(gòu)簡單，體積小方便，重量輕明顯，不用很高電壓，適合空間環(huán)境的嚴(yán)格要求。其缺點(diǎn)是不能做大做厚基礎上，難以測量高能輻射和低強(qiáng)度輻射安全鏈；輸出信號(hào)小，電子線路復(fù)雜化保供。在空間研究中最常用的是金硅面壘探測器能力建設。硅探測器一般在室溫下工作，如果用在液氮溫度下技術創新，可以大大提高能量分辨率醒悟。1969年﹐美國芝加哥大學(xué)的麥格雷戈等人首次采用液氮冷卻的鋰漂移硅探測器，并與低噪聲光反饋的電荷靈敏前置放大器配合生產體系，在太陽耀斑爆發(fā)期間測量4～40千電子伏能段內(nèi)的太陽X射線輻射新模式。

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展需要，科學(xué)家們?cè)阪N鋰Ge(Li)高質量、硅鋰Si(Li)各方面、高純鍺HPGe、金屬面壘型等探測器的基礎(chǔ)上研制出許多新型的半導(dǎo)體探測器落地生根，如硅微條占、Pixel、CCD成效與經驗、硅漂移室等更讓我明白了，并廣泛應(yīng)用在高能物理、天體物理提供了有力支撐、工業(yè)飛躍、安全檢測、核醫(yī)學(xué)積極、X光成像大數據、軍事等各個(gè)領(lǐng)域。世界各大高能物理實(shí)驗(yàn)室?guī)缀醵疾捎冒雽?dǎo)體探測器作為頂點(diǎn)探測器經驗。美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的CDF和D0（右上圖），SLAC的B介子工廠的BaBar實(shí)驗(yàn)，西歐高能物理中心（CERN）LEP上的L3進一步意見，ALEPH（左上圖）組成部分，DELPHI，OPAL集聚，正在建造的質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)LHC上的ATLAS，CMS及日本的KEK大大提高，德國的HARA新的動力、HARB及Zeus等。ATLAS和CMS還采用了硅微條探測器代替漂移室作為徑跡測量的徑跡室。近些年高能物理領(lǐng)域所有新的物理成果為產業發展，無不與這些高精度的具有優(yōu)良性能的先進(jìn)探測器密切相關(guān)研究成果。

丁肈中領(lǐng)導(dǎo)的AMS實(shí)驗(yàn)，目標(biāo)是在宇宙線中尋找反物質(zhì)和暗物質(zhì)穩定。它的探測器核心部分的徑跡室采用了多層硅微條探測器（右圖）機製性梗阻。由美國、法國廣泛關註、意大利改造層面、日本、瑞典等參加的GLAST實(shí)驗(yàn)組的大面積γ射線太空望遠(yuǎn)鏡的核心部分也使用了多層硅微條探測器（左圖）多樣性，總面積大于80平方米性能穩定，主要用來作為γ→ e-+e+ 的對(duì)轉(zhuǎn)換過程的徑跡測量望遠(yuǎn)鏡。硅微條探測器的位置分辨率可好于σ=1.4μm規模，這是任何氣體探測器和閃爍探測器很難作到的數字化。