半导体射线探测器
最初约年研究核射线在晶体上作
用, 表明射线的存在引起导电现象。但是, 由
于测得的幅度小、存在极化现象以及缺乏合适
的材料, 很长时间以来阻碍用晶体作为粒子探
测器。就在这个时期, 气体探测器象电离室、
正比计数器、盖革计数器广泛地发展起来。
年, 范· 希尔顿首先较实际地讨论了
“ 传导计数器” 。在晶体
上沉积两个电极, 构成一种固体电离室。为分
离人射粒子产生的载流子, 须外加电压。许多
人试验了各种各样的晶体。范· 希尔顿和霍夫
施塔特研究了这类探测器的主要性质, 产生一
对电子一空穴对需要的平均能量, 对射线作用
的响应以及电荷收集时间。并看出这类探测器
有一系列优点由于有高的阻止能力, 人射粒
子的射程小硅能吸收质子, 而
质子在空气中射程为, 产生一对载
流子需要的能量比气体小十倍, 在产生载流子
的数目上有小的统计涨落, 又比气体计数器响
应快。但是, 尽管霍夫施塔特作了许多实验,
使用这种探侧器仍受一些限制, 像内极化效应
能减小外加电场和捕捉载流子, 造成电荷收集
上的偏差。为了避免捕捉载流子, 需外加一个
足够强的电场。结果, 在扩散一结, 或金属
半导体接触处形成一空间电荷区。该区称为耗
尽层。它具有不捕捉载流子的性质。因而, 核
射线人射到该区后, 产生电子一空穴载流子
对, 能自由地、迅速向电极移动, 最终被收
集。测得的脉冲高度正比于射线在耗尽层里的
能量损失。要制成具有这种耗尽层器件是在
年以后, 这与制成很纯、长寿命的半导体
材料有关。
麦克· 凯在贝尔电话实验室, 拉克· 霍罗威
茨在普杜厄大学首先发展了这类探测器。
年, 麦克· 凯用反偏锗二极管探测“ 。的粒
子, 并研究所产生的脉冲高度随所加偏压而
变。不久以后, 拉克· 霍罗威茨及其同事者测
量一尸结二极管对。的粒子, “ , 的刀
粒子的反应。麦克· 凯进行了类似的实验, 得
到计数率达, 以及产生一对空穴一电子对
需要的能量为土。。麦克· 凯还观察到,
加于硅、锗一结二极管的偏压接近击穿电压
时, 用一粒子轰击, 有载流子倍增现象。在普
杜厄大学, 西蒙注意到用粒子轰击金一锗二
极管时产生的脉冲。在此基础上, 迈耶证实脉
冲幅度正比于人射粒子的能量, 用有效面积为
二“ 的探测器, 测。的粒子, 得到的分
辨率为。艾拉佩蒂安茨研究了一结二极
管的性质, 载维斯首先制备了金一硅面垒型探
测器。
年以后, 许多人做了大量工作, 发表
了广泛的著作。沃尔特等人讨论金一锗面垒型
探测器的制备和性质, 制成有效面积为“ 的
探测器, 并用探测器, 工作在,
测洲的粒子, 分辨率为。迈耶完成一
系列锗、硅面垒型探测器的实验用粒子轰
击。年, 联合国和欧洲的一些实验室,
制备和研究这类探测器。在华盛顿、加丁林堡、
阿什维尔会议上发表一些成果。如一结和面
垒探测器的电学性质, 表面状态的影响, 减少
漏电流, 脉冲上升时间以及核物理应用等等。
这种探测器的发展还与相连的电子器件有很大
关系。因为, 要避免探测器的输出脉冲高度随
所加偏压而变, 需一种带电容反馈的电荷灵敏
放大器。加之, 探测器输出信号幅度很小, 必
需使用低噪声前置放大器, 以提高信噪比。为
一一满足上述两个条件, 一般用电子管或晶体管握
尔曼放大器, 线幅贡献为。在使用场效
应晶体管后, 进一步改善了分辨率。
为了扩大这种探测器的应用, 需增大有效
体积如吸收电子需厚硅。采用
一般工艺限制有效厚度, 用高阻硅、高反偏压
获得有效厚度约, 远远满足不了要求。因
此, 年, 佩尔提出一种新方法, 大
大推动这种探测器的发展。即在型半导体里
用施主杂质补偿受主杂质, 能获得一种电阻率
很高的材料虽然不是本征半导体。因为铿
容易电离, 铿离子又有高的迁移率, 就选铿作
为施主杂质。制备的工艺过程大致如下先把
铿扩散到型硅表面, 构成一结构, 加上反
向偏压, 并升温, 锉离
一
子向区漂移, 形成
一一结构, 有效厚度可达。这种探测器
很适于作转换电子分光器, 和多道幅度分析器
组合, 可研究短寿命发射, 但对卜射线的效
率低, 因硅的原子序数低。为克服这一
点, 采用锉漂移入锗的方法锗的原子序数为
。年, 弗莱克首先用型锗口,
按照佩尔方法, 制成半导体探测器,
铿漂移长度为, 测‘“ 、的的
射线, 得到半峰值宽度为
直到年以前, 所有的探测器都是平面
型, 有效体积受铿通过晶体截面积到“
和补偿厚度的限制获得补偿厚度约, 漂
移时间要个月, 因此, 有效体积大于到
” 是困难的。为克服这种缺点, 进一步发
展了同轴型探测器。年, 制成高分辨率大
体积同轴探测器。之后, 随着电子工
业的发展而迅速发展。有效体积一般可达几十
“ , 最大可达一百多“ , 很适于一、一射
线的探测。年以后广泛地用于各个部门。
最近几年, 半导体探测器在理论研究和实际应
用上都有很大发展。
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