Detector bán dẫn

Detector bán dẫn

Detector bán dẫn

Nhóm 5:

I Giới thiệu về chất bán dẫn

II Sử dụng chất bán dẫn làm detector

III Các quá trình xảy ra khi hạt tích điện đi vào detector

IV Các đặc tính hoạt động của detector bán dẫn

V Một số loại detector bán dẫn

VI Một số hệ đo dùng detector bán dẫn

2

I.1 Chất bán dẫn

I Giới thiệu vềề̀ chất bán dẫn

• Các chất bán dẫn thông thường như silic(Si),

germani (Ge) có 4 electron hóa trị

• =>tạo nên cấu trúc mạng tinh thể

• Một nguyên tử liên kết với 4 nguyên tử bên

cạnh bằng liên kết cộng hóa trị

• Theo lý thuyết vùng năng lượng, các e- hóa trị chiếm đầy các mức năng lượng trong vùng hóa trị, vùng dẫn không có electron

I.1 Chất bán dẫn

4

I.1 Chất bán dẫn

Do chuyển động nhiệt các e- hóa trị có thể nhảy lên vùng dẫn và trở thành e- tự do, e- này tham gia quá trính dẫn điện, đồng

Vùng dẫn và vùng hóa trị cách nhau bởi vùng cấm có độ rộng năng lượng là Eg (Si( 1eV))

I.1 Chất bán dẫn

Với Nc: số trạng thái trong vùng dẫn

Nv: sốố́ trạng thái trong vùng hóa trị

Eg: năng lượng vùng cấm

6

I.1 Chất bán dẫn

trong bán dẫn tinh khiết được cho bởi

Mặt khác ta lại có :

Vì vậy ta được:

• Trong đóE: cường độ điện trường

�: độ linh động của hạt tải cơ bản

• Đối với tinh thể tinh khiết lý tưởng thì � 0 tại ≃

� =0

• Tổng của n và p là

• Tùy loại tạp chất pha vào mà ta tạo thành hai loại bán dẫn, hoặc là e- tự do chiếm ưu thế hoặc lỗ trống chiếm ưu thế

tương ứng với bán dẫn loại n hay p

I.1 Chất bán dẫn

I.2 Chất bán dẫn loại n và loại p

• Đối với chất bán dẫn loại n, thì thừa lại một e- liên kết yếu với nguyên tử hình thành mức tạp chất ở đỉnh vùng cấm

• Còn bán dẫn p, thì thiếu e- nên để lại một lỗ trống

• Thành phần tải điện của loại n là e- tự do trong vùng dẫn ⟹ tạp chất donor

• Do Silic phải nhường e- ⟹ ion mang điện tích âm ⟹ mức acceptor

I.2 Chất bán dẫn loại n và p

10

II Sử dụng chất bán dẫn làm detector

II.1 Lớp tiếp xúc p-n

II Sử dụng chất bán dẫn làm detector

II.1 Lớp tiếp xúc p-n

• Đưa bán dẫn loại n và loại p tiếp xúc nhau,có sự chênh lệch về lỗ trống và electron tại lớp tiếp xúc =>e sẽ khuếch tán từ lớp n sang p và lỗ trống khuếch tán từ p sang n

• Sau một thời gian tại lớp tiếp xúc hình thành một điện trường tiếp xúc

• Đến một lúc nào đó, trạng thái cân bằng được thiết lập, một vùng rất mỏng không có các hạt tải ⟹ vùng ngheo

• Thế tiếp xúc tại vùng này khoảng 0.6 0.7 V ∼

12

II.2 Phân cực lớp tiếp xúc p-n

rộng

II.3 vùng nghèo và độ rộng vùng nghèo

• Vùng ngheo có vai trò rất quan trọng đối với detector bán dẫn

• Đây là vùng hoạt động chính của detector

• Vùng mà lớp tiếp xúc p-n được mở rộng ra thì rất nhạy đối với bức xạ là hạt mang điện ⟹ vùng nhạy

• Độ rộng vùng ngheo phụ thuộc vào hiệu thế phân cực �

14

II.3 Vùng nghèo và độ rộng vùng nghèo

II.3 Vùng nghèo và độ rộng vùng nghèo

được cho bởi:

• Mặt khác mật độ điện dương và âm phải bằng nhau

16

II.3 Vùng nghèo và độ rộng vùng nghèo

• Bằng cách thế các giá trị

• Đối với Silic

• Đối với Germani

III Các quá trình xảy ra khi hạt tích điện đi vào detector

• Khi một bức xạ ion hóa đi vào detector bán dẫn, chúng sẽ tương tác lên các electron và bứt electron ra khỏi liên kết cộng hóa trị.

• Các electron này chuyển lên vùng dẫn và trở thành các electron tự do, đồng thời để lại lỗ trống mang điện tích dương trong vùng hóa trị.

• Các cặp electron lỗ trống được tạo ra trong vùng ngheo dọc theo quỹ đạo của bức xạ tới.

• Chúng sẽ được kéo về hai điện cực bởi điện trường do hiệu điện thể ngược áp vào detector Khi đó ở mặt ngoài xuất hiện một tín hiệu điện Xung điện thế này được ghi nhận ở lối ra bởi hệ điện tử

• Đo và khảo sát xung tín hiệu ra biết được thông tin về bức xạ

18

III Các quá trình xảy ra khi hạt tích điện đi vào detector

III.1 Sự tạo cặp e- và lỗ trống trong detector bán dẫn

• Ta gọi w là năng lượng của bức xạ ion hóa mất đi trong chất bán dẫn để tạo cặp e- và lỗỗ̃ trống

• Năng lượng này lớn hơn năng lượng cần thiết để tạo ra cặp electron- lỗ trống

• Số cặp electron- lỗ trống được tạo ra do bức xạ ion hóa có năng lượng E là: n=E/w

• Giá trị wSi(80K)=3.72 eV là hằng số không phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ tới

III.2 Hiệu ứng bắt

• Sự bắt điện tích trong bán dẫn xảy ra khi hạt tải bị giữ lại tại mức tạp chất hoặc tại tâm sai hỏng của mạng tinh thể

• Đưa ra thời gian sống trung bình:

• Thời gian trung bình của hạt bị giam trong bẫy:

• Hiệu suất thu tích điện:

20

III.3 Hiệu ứng Plasma

• Do khả năng ion hóa của các hạt nặng cao nên mật độ các cặp e- và lỗ trống được tạo ra cao ⟹ đám mây các điện tích tự do dày đặc ⇒ làm chậm quá trình chuyển dịch điện tích về các cực

• Hiệu ứng này làm kéo dài thời gian từ lúc tạo ra hạt tải đến lúc bắt đầu tăng xung

⟹ tăng khả năng tái hợp của hạt tải

IV Các đặc tính hoạt động của detector bán dẫn

22

V Một số loại detector bán dẫn

V.1 Detector mối nối khuếch tán

• Một phương pháp phổ biến để tạo nên detector bán dẫn là đặt một thanh bán dẫn loại p trong hơi tạp chất loại n

⟹ chuyển chất bán dẫn loại n thành p ⟹ mối nối bề mặt

• Vì nồng độ tạp chất loại n lớn hơn so với loại p

⟹ vùng ngheo chủ yếu nằm tại vùng p ⟹ bềề mặt nằm ngoài hình thành nên lớp chết ⟹ bất lợi cho hạt tải do mất đi một phần năng lượng trước khi đến vùng ngheo

• Ưu điểm của loại khuếch tán

–

V.2 Detector hàng rào mặt

tính chất giống bán dẫn loại p

loại này giống với sự hình thành lớp tiếp xúc p-n

hại bởi hơi ẩm hay tiếp xúc cơ học với bề mặt

24

• Khi tăng điện thế phân cực ngược, vùng ngheo của detector sẽ được mở rộng và mở rộng toàn khối bán dẫn khi điện thế đủ lớn

V.3 Detector vùng nghèo hoàn toàn

V.3 Detector vùng nghèo hoàn toàn

Ưu điểm của detector vùng ngheo hoàn toàn:

• Lớp chết mỏng

• Có thể ghi bức xạ từ hai mặt của detector

• Giảm nhiễu và dòng rò nhỏ do không còn vùng bán dẫn nền nằm ngoài vùng ngheo

• Độ phân giải thời gian cao do điện trường có giá trị lớn trong khắp vùng ngheo

• Độ ổn định cao do độ rộng vùng ngheo không phụ thuộc vào điện thế phân cực

26

V.4 Detector Germani đo �

Để đo bức xạ gamma dùng detector có độ rộng vùng ngheo và thể tích vùng hoạt lớnDetector do gamma phổ biến là HPGe( có 2 cấu hình)

V.4 Detector Germani đo �

28

Cấu hình detector HPGe đồng trục

VI Một số hệ đo dùng detector bán dẫn

VI Một số hệ đo dùng detector bán dẫn

30

VI Một số hệ đo dùng detector bán dẫn

VI Một số hệ đo dùng detector bán dẫn

32

VI Một số hệ đo dùng detector bán dẫn

Thank you for your watching and listening