8、探测器与束流仪器：固态探测器的原理与应用

探测器与束流仪器：固态探测器的原理与应用

1. 探测器基础与阴极配置

在探测器设计中，电荷共享是一个关键问题。例如，在某些探测器的 5 条条带中，电荷共享的情况需要进行权衡，通常选择条带宽度与间距之比 w/d 约为 1 。通过绘制 x = 0 和 x = w 处信号的电荷共享情况，可以展示如何利用电荷质心准确测量 xq ，前提是有足够的条带共享。条带电荷的加权平均值会在以 x = 0 为中心的第三条带的整个范围内显示。用户可以通过改变 w/d 来观察电荷位置真实值的偏差。这种阴极配置是简单的笛卡尔坐标系配置，还可以使用 Matlab 提供的符号和数值工具创建和研究其他配置。1992 年，Georges Charpak 因在多丝正比室（PWC）和其他探测器方面的工作获得了诺贝尔物理学奖。

2. 固态探测器概述

近年来，由于半导体行业的迅猛发展，硅探测器在成本和可用性方面有了巨大改进，成为了许多应用中的首选探测器。孤立原子具有明确的量子化能级，但在固体中，不同原子的电子相互作用，这些尖锐的能级会变成允许和禁止能量的“能带”。金属中有允许态和附近的空态，电子可以自由移动；绝缘体的最高能量带是满的，下一个允许带是空的，且有很大的能量间隙，抑制了电子的热激发；半导体则介于金属和绝缘体之间。

硅是一种半导体，其价带（VB）顶部和导带（CB）底部之间的能带间隙为 1.12 eV 。在 300 K 时，kT 约为 0.025 eV ，硅的能带间隙约是其 44 倍，因此导带中热激发的电子很少。硅的本征热载流子数量约为 1.5 × 10¹⁶/m³，约为硅原子密度（约 5 × 10²⁸ 原子/m³）的 10⁻¹² 。本征电阻率约为 ρi ∼ 2.3 kΩm 。由于存在其他竞争效