南华大学《核辐射探测学》教学课件 第四章 半导体探测器

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1、第四章半导体探测器第一节半导体基本知识和半导体探测器的工作原理一、半导体的基本知识（简述）半导体通常以晶体形式存在，且分为单晶和多晶。单晶半导体为晶格结构，晶体中电子能级可以用能带理论描述。半导体探测器多是用单晶半导体材料制作。1.本征半导体不含杂质的半导体称为本征半导体。本征半导体材料在无外界作用时，在室温下也会由于热激发而0.1eV

2、：2019-1-121屈国普用ni表示：ni＝电子数目＝空穴数目ni与半导体材料的绝对温度T和禁带宽度Eg有关。固体物理已证明，本征半导体内本征载流子的平衡浓度为Eg23nUTeKTi式中U——与T无关而与半导体材料特性有关的常数。K——玻尔兹曼常数。对常用的本征Ge半导体和本征Si半导体：2320.78533.110KTGe：nieT2331.213Si：n1.510eKTTi南华大学核辐射探测学授课老师：2019-1-122屈国普可以计算出室温下（T≈300K或≈25℃）E0.665evGeG

3、e:np2.41013cm3E1.12evSiSi:np1.51010cm32.P型和N型半导体完全纯的半导体是很难找到的,由以上可知本征半导体的平衡载流子数目较小,其导电性能较差.所以人们常利用在本征半导体材料中有意地加入适量的杂质,使电子浓度或空穴浓度增加,使半导体材料的导电性能提高了。电子浓度增加的半导体称为电子型或N型半导体。空穴浓度增加的半导体称为空穴型或P型半导体。两种半导体中掺的杂质分别称为施主杂质(N型)和受主杂质(P型)南华大学核辐射探测学授课老师：2019-1-123屈国普以Si为例

4、来说明P型和N型半导体（掺B和P）。在硅中掺入磷成为N型Si：E1硅（Si）有4个价电子磷（P）有5个价电子E2施主杂质能级在禁带中靠近导带底部（E1）P原子占据一个晶格位置，与Si形成4个共价键，余下的P的第5个价电子与原子结合的不紧密。只要有<0.05eV的能量就可使它脱离原来核束缚而成为自由电子到导带。余下的P+离子仍束缚在晶格中（但不会运动）。P杂质显然可以提供电子——称为施主杂质。杂质处于离化状态。若P的浓度1ppm(10-6),Si的原子密度约1022cm-3,所以电子密度1016cm-3,多数载流子为电子。

5、南华大学核辐射探测学授课老师：2019-1-124屈国普又如Si中掺B，形成P型Si。硅有4个价电子硼有3个价电子受主杂质能级在禁带中靠近满带顶部（E2）B与Si形成的共价键不饱和，这个空位相当于正常价电子被激发到导带时留下的空穴，临近的Si的一个价电子被捕获来填充这个空位参加到一个共价键中，从而在满带留下许多空穴，这相当于杂质提供了空穴。这种杂质称为受主杂质。其电子能级接近禁带底部。若掺B浓度1ppm,则空穴密度1016cm-3。空穴为多数载流子，电子为少数载流子，密度分别用P和n表示。南华大学核辐射探测学授课老师：2

6、019-1-125屈国普二.载流子的特性和运动规律在半导体探测器中载流子(电子,空穴)所起的作用同气体探测器中正离子和电子所起的作用是完全类似的.为了说明半导体探测器的特性,首先对载流子的特性及运动规律有基本的了解.1.载流子的密度和补偿效应a)载流子的密度在半导体理论中,可以证明:EnnCeKT电子密度:nEP空穴密度:pCeKTpCn,Cp—与禁带内能级分布无关的常数，仅与半导体材料有关。南华大学核辐射探测学授课老师：2019-1-126屈国普En—施主杂质能级EP—受主杂质能级EF费米能级EnE1EF

7、,EPEFE2E1—导带底，E2—满带项。Eg可以得到npCCeKTnpEgE1E2禁带宽度显然，上式表明半导体中两种载流子的密度之积只决定于禁带宽度及温度等，与所引入的杂质无关。所以相同温度下，2本征半导体的相等的两种载流子密度之积ni应与杂质半导体在各种掺杂情况下（非重掺杂）的二种载流子密度或浓度之积相等。南华大学核辐射探测学授课老师：2019-1-127屈国普n2np常数i式中n和p分别表示电子和空穴浓度b)补偿效应设——N型半导体，其n>p。若设法在该N型半导体中再引入受主杂质，使空穴浓度p

8、增加。由上式，当T不变时，np=常数，必定同时使n减少。只要引入的受主杂质足够多，就可使p>n甚至p>>n，使原来的N型转化为P型。同理，可以使P型转化为N型。这就叫补偿效应。显然，只要小心地控制掺入的杂质原子数，可能恰好使n=p=ni,这时半导体虽然含有不少杂质，但其载流子浓度和本征半导体一样，这叫做“实现了完全补