半導體探測器

2009/11/11 21:47:00

半導體探測器（semiconductor detector）是以半導體材料為探測介質的輻射探測器。最通用的半導體材料是鍺和硅，其基本原理與氣體電離室相類似。半導體探測器發現較晚，1949年麥凱（K.G.McKay）首次用α 射線照射PN結二極管觀察到輸出信號。5O年代初由于晶體管問世后，晶體管電子學的發展促進了半導體技術的發展。

半導體探測器有兩個電極，加有一定的偏壓。當入射粒子進入半導體探測器的靈敏區時，即產生電子-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﹐收集電極上會感應出電荷，從而在外電路形成信號脈沖。但在半導體探測器中，入射粒子產生一個電子－空穴對所需消耗的平均能量為氣體電離室產生一個離子對所需消耗的十分之一左右，因此半導體探測器比閃爍計數器和氣體電離探測器的能量分辨率好得多。半導體探測器的靈敏區應是接近理想的半導體材料，而實際上一般的半導體材料都有較高的雜質濃度，必須對雜質進行補償或提高半導體單晶的純度。通常使用的半導體探測器主要有結型、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，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投入使用，半導體探測器得到迅速的發展和廣泛應用。

半導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器﹑閃爍計數器﹔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﹔結構簡單，體積小，重量輕，不用很高電壓，適合空間環境的嚴格要求。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，在太陽耀斑爆發期間測量4～40千電子伏能段內的太陽X射線輻射。

隨著科學技術不斷發展需要，科學家們在鍺鋰Ge(Li)、硅鋰Si(Li)、高純鍺HPGe、金屬面壘型等探測器的基礎上研制出許多新型的半導體探測器，如硅微條、Pixel、CCD、硅漂移室等，并廣泛應用在高能物理、天體物理、工業、安全檢測、核醫學、X光成像、軍事等各個領域。世界各大高能物理實驗室幾乎都采用半導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，正在建造的質子-質子對撞機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。近些年高能物理領域所有新的物理成果，無不與這些高精度的具有優良性能的先進探測器密切相關。

丁肈中領導的AMS實驗，目標是在宇宙線中尋找反物質和暗物質。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。