[发明专利]具有增强的电荷搜集功能的半导体辐射探测器

说明书

本发明涉及一种探测电离辐射的器件和方法，更具体地讲是涉及用于降低低能拖尾效应的、具有增强的电荷搜集功能的半导体辐射探测器。

高阻半导体辐射探测器由于其室温工作能力、较小的尺寸和长寿命、以及半导体器件固有的其它特性，被广泛地用于探测电离辐射。该探测器的应用范围十分广泛，包括医疗诊断成像、核废料监测、工业过程监测和太空天文学。电离辐射包括粒子辐射，例如α或β粒子，和电磁辐射，例如γ或x射线。

普通的半导体辐射探测器一般称为“平面型”探测器。如图1A所示，这种平面型探测器100的结构通常由一块半导体晶体102构成，其中金属覆盖在板的两个相对表面上，构成两个电极，阴极104和阳极106。在一种结构中，阳极106与外部信号控制电路108和地110相连，阴极104与外部电压源111相连。电极104和106上的偏置电压产生内部电场。由半导体晶体板102吸收的电离辐射112在半导体晶体102内部产生的电子云和空穴云分别流向阳极106和阴极104。这些移动的电子云和空穴云在外部电路111中产生电荷-脉冲信号。

如果电离辐射112产生的电子和空穴全部到达它们各自的电极(即，电子到达阳极106，空穴到达阴极104)，那么输出的电荷信号将精确地等价于由分布在晶体102内部的能量而来的电荷。因为分布电荷正比于电离辐射112的能量，所以半导体辐射探测器100提供了一种测量电离辐射112的能量的装置。对该能量的测量能力是辐射探测器的一项重要功能。

然而，平面型辐射探测器具有严重的缺陷：由于半导体晶体102体材料的输运特性的限制，在流向它们各自电极的过程中，部分电子和空穴会因为俘获效应而损失掉。因此，输出电荷信号的幅度取决于在晶体中发生电离辐射吸收的位置。通常，幅度小于电离辐射产生的电荷，这导致能量测量精度下降，以及分辨率较低和峰值效率下降。辐射探测器中的这种损失(或俘获)导致称为“低能拖尾(Low-energytrailing)”的非对称谱峰形状。

如上所述，在半导体辐射探测器中，当电离现象发生时，电子流向阳极106，空穴流向阴极104。在阴极104面对辐射源的典型实验装置中，许多电离现象发生在积累时期，然后检测到所产生的电荷信号脉冲，并显示在直方图上。在无低能拖尾的理想探测器中，所有的脉冲均比例于电离辐射112的能量。这将产生类似于图2的直方图，其中纵坐标为每个通道的计数，横坐标为电荷信号脉冲幅度。如图2所示，能量直方图没有拖尾效应，这是因为能量峰(或光峰)202是单能级E处的一条垂直线，能级E等于电离辐射112的能级。因此，所有的电荷信号脉冲幅度均等于电离辐射112的能级E，在任何脉冲中均没有电荷损耗。

图3中的曲线A和B示例了在非理想探测器中的低能拖尾的两个假设情况。曲线A表示如果电离辐射在晶体内部被均匀地吸收，即晶体吸收系数极低的情况，所产生的直方图分布。曲线B表示更加典型的情况，其中吸收在阴极附近很大，随着电离现象的发生位置在晶体内部沿着远离阴极的方向移动，吸收呈指数下降。在曲线A和B中，存在一个与电荷的完全搜集(幅度为E)相对应的最大信号302和明显的低能“拖尾”304、306。

图4表示由镉-锌-碲(CdZnTe)制作的实际半导体辐射探测器在钴-57(⁵⁷Co)辐射源产生的γ射线的照射下所具有的、带有明显低能拖尾的能量直方图。该探测器的面积为6.1毫米×6.1毫米，厚度为3毫米。偏置电压为-500伏特。图4中的曲线分布有电子噪声，这是在画图3的假设曲线时没有考虑到的一种效应。与图3所示的曲线A和B一样，图4的直方图中具有明显的低能拖尾404。