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,。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。5O年代初由于晶體管問世后,，晶體管電子學(xué)的發(fā)展促進了半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,。

半導(dǎo)體探測器有兩個電極，加有一定的偏壓,。當(dāng)入射粒子進入半導(dǎo)體探測器的靈敏區(qū)時,，即產(chǎn)生電子-空穴對。在兩極加上電壓后,，電荷載流子就向兩極作漂移運動﹐收集電極上會感應(yīng)出電荷,，從而在外電路形成信號脈沖。但在半導(dǎo)體探測器中,，入射粒子產(chǎn)生一個電子－空穴對所需消耗的平均能量為氣體電離室產(chǎn)生一個離子對所需消耗的十分之一左右,，因此半導(dǎo)體探測器比閃爍計數(shù)器和氣體電離探測器的能量分辨率好得多。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,，而實際上一般的半導(dǎo)體材料都有較高的雜質(zhì)濃度,，必須對雜質(zhì)進行補償或提高半導(dǎo)體單晶的純度。通常使用的半導(dǎo)體探測器主要有結(jié)型,、面壘型,、鋰漂移型和高純鍺等幾種類型（下圖由左至右）,。金硅面壘型探測器1958年首次出現(xiàn)，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間的探測器陸續(xù)投入使用,，半導(dǎo)體探測器得到迅速的發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

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數(shù)器﹑閃爍計數(shù)器﹔脈沖上升時間較短﹐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,，重量輕，不用很高電壓,，適合空間環(huán)境的嚴(yán)格要求,。其缺點是不能做大做厚，難以測量高能輻射和低強度輻射,；輸出信號小,，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器,。硅探測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，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,。

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展需要,，科學(xué)家們在鍺鋰Ge(Li)、硅鋰Si(Li),、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，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,、核醫(yī)學(xué)、X光成像,、軍事等各個領(lǐng)域,。世界各大高能物理實驗室?guī)缀醵疾捎冒雽?dǎo)體探測器作為頂點探測器。美國費米實驗室的CDF和D0（右上圖），SLAC的B介子工廠的BaBar實驗,，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)子對撞機LHC上的ATLAS，CMS及日本的KEK,，德國的HARA,、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,，無不與這些高精度的具有優(yōu)良性能的先進探測器密切相關(guān)。

丁肈中領(lǐng)導(dǎo)的AMS實驗,，目標(biāo)是在宇宙線中尋找反物質(zhì)和暗物質(zhì),。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）。由美國,、法國,、意大利、日本,、瑞典等參加的GLAST實驗組的大面積γ射線太空望遠鏡的核心部分也使用了多層硅微條探測器（左圖）,，總面積大于80平方米，主要用來作為γ→ e-+e+ 的對轉(zhuǎn)換過程的徑跡測量望遠鏡,。硅微條探測器的位置分辨率可好于σ=1.4μm,，這是任何氣體探測器和閃爍探測器很難作到的。