半導(dǎo)體探測(cè)器

2009/11/11 21:47:00

半導(dǎo)體探測(cè)器（semiconductor detector）是以半導(dǎo)體材料為探測(cè)介質(zhì)的輻射探測(cè)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。半導(dǎo)體探測(cè)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)。5O年代初由于晶體管問世后，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(cè)器有兩個(gè)電極，加有一定的偏壓。當(dāng)入射粒子進(jìn)入半導(dǎo)體探測(cè)器的靈敏區(qū)時(shí)，即產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。在兩極加上電壓后，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。但在半導(dǎo)體探測(cè)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(cè)器比閃爍計(jì)數(shù)器和氣體電離探測(cè)器的能量分辨率好得多。半導(dǎo)體探測(cè)器的靈敏區(qū)應(yīng)是接近理想的半導(dǎo)體材料，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。通常使用的半導(dǎo)體探測(cè)器主要有結(jié)型、面壘型、鋰漂移型和高純鍺等幾種類型（下圖由左至右）。金硅面壘型探測(cè)器1958年首次出現(xiàn)，鋰漂移型探測(cè)器60年代初研制成功，同軸型高純鍺(HPGe)探測(cè)器和高阻硅探測(cè)器等主要用于能量測(cè)量和時(shí)間的探測(cè)器陸續(xù)投入使用，半導(dǎo)體探測(cè)器得到迅速的發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

半導(dǎo)體探測(cè)器輸出脈沖幅度與能量成正比﹐可用來(lái)測(cè)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(cè)量﹔窗可以做得很薄﹐可測(cè)量低能X射線﹔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，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，難以測(cè)量高能輻射和低強(qiáng)度輻射；輸出信號(hào)小，電子線路復(fù)雜化。在空間研究中最常用的是金硅面壘探測(cè)器。硅探測(cè)器一般在室溫下工作，如果用在液氮溫度下，可以大大提高能量分辨率。1969年﹐美國(guó)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(cè)器，并與低噪聲光反饋的電荷靈敏前置放大器配合，在太陽(yáng)耀斑爆發(fā)期間測(cè)量4～40千電子伏能段內(nèi)的太陽(yáng)X射線輻射。

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)、硅鋰Si(Li)、高純鍺HPGe、金屬面壘型等探測(cè)器的基礎(chǔ)上研制出許多新型的半導(dǎo)體探測(cè)器，如硅微條、Pixel、CCD、硅漂移室等，并廣泛應(yīng)用在高能物理、天體物理、工業(yè)、安全檢測(cè)、核醫(yī)學(xué)、X光成像、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(cè)器作為頂點(diǎn)探測(cè)器。美國(guó)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，ALEPH（左上圖），DELPHI，OPAL，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，德國(guó)的HARA、HARB及Zeus等。ATLAS和CMS還采用了硅微條探測(cè)器代替漂移室作為徑跡測(cè)量的徑跡室。近些年高能物理領(lǐng)域所有新的物理成果，無(wú)不與這些高精度的具有優(yōu)良性能的先進(jìn)探測(cè)器密切相關(guān)。

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)。它的探測(cè)器核心部分的徑跡室采用了多層硅微條探測(cè)器（右圖）。由美國(guó)、法國(guó)、意大利、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(cè)器（左圖），總面積大于80平方米，主要用來(lái)作為γ→ e-+e+ 的對(duì)轉(zhuǎn)換過程的徑跡測(cè)量望遠(yuǎn)鏡。硅微條探測(cè)器的位置分辨率可好于σ=1.4μm，這是任何氣體探測(cè)器和閃爍探測(cè)器很難作到的。