半导体探测器

半导体探测器由特殊加工的半导体材料组成，是一种新型的核辐射探测器，其原理与电离室相近，也可以说是一种固体的电离室。由于比闪烁探测器能量分辨率好，近年来在核谱测量、活化分析、X线荧光分析等领域已广泛应用。在临床核医学上也已开始使用，取得了一些令人满意的结果。然而由于常用半导体材料原子序数较低，还不能做成大体积，因此探测效率还不如NaI(T1)，同时价格较昂贵、附属设备较复杂，所以目前应用还不广。但发展潜力看来是相当大的。
原理 在半导体硅和锗中掺入少量的施主杂质磷，即构成N型半导体。掺入少量的受主杂质硼，则构成P型半导体。将这些半导体利用类似于制造晶体管的技术形成P-N结，就制成了一个简单的半导体核粒子探测器。在这种P-N结中若有射线通过，则半导体材料吸收射线的能量而形成电子-空穴对，其平均对数N与入射到P-N结中的射线能量E有关，即N=E/ε，这里ε是产生一对电子-空穴所需的平均能量， 对于硅，ε≃3.8eV: 对于锗，ε≃2.9eV。如在P-N结上加有反向电压，这些电子和空穴在电场的作用下，就会向相反的方向运动 (见图1)，电子向N侧电极，空穴向P侧电极，在外电路

图1 半导体探测器原理

上形成电流或电脉冲。电流大小或脉冲高度与入射粒子在探测器中损失的能量成正比。这样就可达到探测和分析射线的目的。
探测器的能量分辨率 半导体探测器最突出的优点是能量分辨率好。一定能量的射线在探测器中产生的信号脉冲高度，理论上应是相同的，在能谱图上应是一条直线。但由于射线产生电子-空穴对数目有统计涨落，加上探测器和电路上有噪声叠加在射线产生的信号上，所以输出端的信号幅度有一分布，分布的范围越宽，表示能量分辨率越差。半导体探测器的能量分辨率常用能谱线的半高

图2 Si(Li)探测器获得的
5⁵Fe能谱

宽(FWHM，即计数最大值一半处的全宽度)表示(见图2)。
能量分辨率也可用半高全宽度与该最大计数对应的能量值之比的百分数来表示，如图2例，亦可说其能量分辨率为200/5894×100%=3.4%。若不考虑放大器噪声的情况，单单是某一能量的射线在探测器中由于统计涨落导致的半高宽为(FWHM)统计=2.35。式中，E是入射粒子的能量(eV),s是产生一对电子-空穴（或离子）所需的平均能量，F是Fano系数。对硅半导体，18≃3.8eV, 对锗半导体， 8=2.9eV; 而对于气体探测器，8≃30eV；对于闪烁探测器，8≃300eV。 这就是半导体探测器的能量分辨率胜过其他探测器的主要原因。探测器的漏电流也会使能谱线的半高全宽度展宽； 漏电流越大，能量分辨率越差。为提高能量分辨率，常将探测器置于低温下使用，以降低漏电流。此外，探测器的电容和输入回路的分布电容对能量分辨率的测量也有影响。探测器种类 半导体探测器有多种类型，按其灵敏层厚度是否随外加电压变化，可分成两大类： 一类是灵敏层厚度随外加电压改变的垒型(Barrier type)，另一类是灵敏层厚度不随外加电压改变的均一型。P-N结型和Au-Si面垒型探测器是垒型的典型，Si(Li)型和Ge(Li)型探测器是均一型的典型。探测器的材料除了广泛采用硅和锗外，为提高对γ线的探测效率，目前还采用高原子序数的化合物半导体。
(1) P-N结型探测器： 这种探测器把施主杂质在高温下扩散到P-型硅中制成(把受主杂质扩散到N-型硅中亦可)。由于受材料电阻率的限制，P-N结型探测器的灵敏区厚度目前还仅能做到微米数量级，显然利用它来探测高能带电粒子和γ线，效率是不够高的，但由于它结构牢靠，小型易做，故在核医学中有时用于肿块探测。
(2)金-硅(Au-Si)面垒型探测器： 这种探测器通常是把N-型的硅片经过处理后，在真空中蒸发一层金制成，工作原理与P-N结探测器类似，其灵敏层厚度也随使用材料的电阻率和外加电压而变化，且多在微米数量级。它广泛应用于高分辨率α粒子和低能β线的测量，也用于低本底或低能X线的测量。
(3)锂漂移硅(Si(Li))探测器： P-N结型和Au-Si面垒型的灵敏层厚度都不能做得很厚，故在使用上有局限性。但锂（施主）能够在P-型硅单晶上形成P-N结，并能在反偏压的作用下，在110～150℃内漂移到P-型硅中，精巧地补偿P-型硅材料中的受主（硼），这样可以生成一个很高的电阻率材料层。结果Si(Li)探测器的灵敏层可做到几毫米至十几毫米厚，能有效地探测β线和低能γ线。在77°K使用时，能量分辨率很好。作为X线荧光分析探头，可检查人体血液、肿块或其他组织中的元素成分。
(4)锂漂移锗 (Ge(Li))探测器： Ge(Li)探测器和Si(Li)探测器有类似的原理和制造方法。由于锗的原子序数比硅大(ZGe=32,ZSi=14)，所以对γ线的探测效率比硅高。Ge(Li)探测器有平面型和同轴型两类。同轴型可以做成100cm3以上的灵敏大体积，用来提高对γ线的探测效率。故可用于核素扫描技术。但是为了避免锂在锗中沉淀和保持探测器长期稳定，Ge(Li)探测器必须经常贮存在低温(77°K)和真空容器中，否则性能将变坏，以致不能使用。所以目前尚难在临床核医学中推广。
(5)高纯锗(Ge(Hp))探测器： 与Ge(Li)探测器的性能类似，不过它是用高纯度的锗单晶制成的。用它制造探测器时，不再需要锂离子补偿就可以做成大体积。杂质浓度越低，探测器的灵敏层可以做得越厚，曾有人用高纯锗单晶制出了灵敏层厚度为21mm的Ge(Hp)平面探测器。由于它不用锂离子补偿，所以可贮存在室温而不变坏。但为减少热噪声，使用时仍须在77°K。
(6)砷化镓(GaAs)探测器： 对γ线有高的探测效率，可以在室温下使用和贮存。但由于材料纯度的限制，目前GaAs仅限于用N-型单晶或外延片真空蒸金作成面垒二极管结构。灵敏层甚薄，多用于探测α粒子和软X线，医用探针也已开始使用。
(7)碲化镉(CdTe)探测器： CdTe有如下的特点：
❶原子序数高，Z平均=50，如对100keV的γ光子，CdTe的吸收系数为9.2cm-1，而硅仅为0.11cm^-1;
❷禁带宽度大，可在室温或高温下工作；
❸较好的载流子迁移率。因此CdTe探测器对核谱和高空宇宙射线的研究是有希望和引人注意的新材料。它已做成微型应用于临床核医学。
(8)碘化汞(HgI₂)探测器：HgI₂为透明的红色单晶，主要特点是高原子序数和禁带宽度大，因此HgI₂探测器对γ线有更高探测效率和宽的使用温度范围，对能量<200keV的光子，HgI2的灵敏度大约是锗的100倍；用1mm厚的HgI2探测器，对100keV的X线也可以吸收85%。在γ线能谱测量中也具有较好的能量分辨率，在能量分析和剂量监测中日趋广泛应用。

常用半导体材料的主要性能

半 导 体	原 子 序 数	密 度		禁 带 宽 度 Eg(eV)		产生每个e-h所需 平均能量(eV)
		原子数/cm3	g/cm2
Si Ge GaAs	14 32 31,33	5.02×1022 4.44×1022 2.21×1022	2.328 5.324	1.12 1.16 0.66 0.74 1.43	(300°K) (77°K) (300°K) (77°K) (300°K)	3.61 3.76 2.98 4.2	(300°K) (77°K) (77°K) (300°K)
CdTe HgI2	48,52 80,53	3.04×1022 2.54×1022	6.06 6.4	1.47 2.13	(300°K) (300°K)	4.43 6.5	(300°K) (300°K)