辐射探测器的物理原理简介

不同的辐射探测器基于不同的探测原理，由不同物理基础的结构部分组成。下面介绍的是常见辐射探测器的物理基础内容。

1.能带理论

能带是描述固体中原子外层电子运动的一种图像。

按照原子理论，原子的电子只能占据某些能级，只能在特定的壳层运动。当许多原子结成固体时，其内层原子电子的运动与孤立原子时一样，但外层原子电子的运动将受到邻近原子电场的影响。例如，对于晶体，这时价电子实际上可以在原子组成的整个晶格中运动，不再被限制于某个原子，这导致电子可以具有更宽的能量范围。即，凝聚成固体后，由于原子间的相互作用，相应于孤立原子的能级将加宽成间隔极小（近似连续）的分立能级组成的能带。每一能带与原子的能级相关联，图A-1显示了晶格能带与原子能级的关系。

图A-1 晶格能带与原子能级的关系

原子组成晶体后，其内层能级对应的能带也将被电子填满，一般称为满带。能量最高的价电子填满的能带（满带）称为价带，能量高于价带的能带一般是空的，一般称为空带。其中能量最低的空带称为导带。价带与导带之间的能量区称为禁带。

图A-2是导体能带结构的示意图。导体能带结构的一个特点是价带（最高能带）并未填满。在外电场作用下，价带上面的电子获得很少能量后，可运动到价带内的空的状态去。即，在外电场作用下，晶体内可产生电子的集体定向运动，形成电流。实际上，大多数金属最上层的能带存在重叠。由于重叠，原填满的价带可转变为未填满，原处于导带（空带）的部分填上了电子，从而出现了更多的可供电子进入的空态，这使金属成为良导体。

绝缘体能带结构的主要的特点是价带填满，价带与导带的能量间隙较大，如图A-3所示。由于价带已经填满，电子不能改变其在价带中的状态，激发电子只能是把它从价带转移到导带。但由于价带与导带的能量间隙较大（例如，金刚石的能量间隙约为6eV），外加电场无法使价带中电子加速，也就是不能产生电流。

半导体的能带结构与绝缘体的能带结构相似，主要差别是价带与导带的能量间隙较小，如图A-4所示。由于价带与导带的能量间隙较小，将价带中电子激发到导带比绝缘体容易，通过加热就可以把电子从价带激发到导带。导带中的少数电子可以具有金属中电子的导电作用，价带中的空穴也具有类似的导电作用。

图A-1 晶格能带与原子能级的关系

原子组成晶体后，其内层能级对应的能带也将被电子填满，一般称为满带。能量最高的价电子填满的能带（满带）称为价带，能量高于价带的能带一般是空的，一般称为空带。其中能量最低的空带称为导带。价带与导带之间的能量区称为禁带。

图A-2是导体能带结构的示意图。导体能带结构的一个特点是价带（最高能带）并未填满。在外电场作用下，价带上面的电子获得很少能量后，可运动到价带内的空的状态去。即，在外电场作用下，晶体内可产生电子的集体定向运动，形成电流。实际上，大多数金属最上层的能带存在重叠。由于重叠，原填满的价带可转变为未填满，原处于导带（空带）的部分填上了电子，从而出现了更多的可供电子进入的空态，这使金属成为良导体。

绝缘体能带结构的主要的特点是价带填满，价带与导带的能量间隙较大，如图A-3所示。由于价带已经填满，电子不能改变其在价带中的状态，激发电子只能是把它从价带转移到导带。但由于价带与导带的能量间隙较大（例如，金刚石的能量间隙约为6eV），外加电场无法使价带中电子加速，也就是不能产生电流。

半导体的能带结构与绝缘体的能带结构相似，主要差别是价带与导带的能量间隙较小，如图A-4所示。由于价带与导带的能量间隙较小，将价带中电子激发到导带比绝缘体容易，通过加热就可以把电子从价带激发到导带。导带中的少数电子可以具有金属中电子的导电作用，价带中的空穴也具有类似的导电作用。

图A-2 导体的能带结构

图A-2 导体的能带结构

图A-3 绝缘体的能带结构

图A-3 绝缘体的能带结构

图A-4 半导体的能带结构

纯净（和结构完整）的半导体称为本征半导体。实际的半导体经常含有杂质或缺陷。一些杂质原子可以比半导体的原子具有较多的电子，这些额外电子不能容纳在原来晶体的价带中，它们将占有导带下方的某些分立能级。由于这些能级与导带的能量间隙很小（可为十分之几电子伏），电子容易被激发到导带。这类杂质原子称为施主，含有这种杂质的半导体称为N型半导体。相反，另一些杂质原子可以比半导体的原子具有较少的电子，它们引进空的分立能级，能级很靠近价带顶部。这使得很容易把价带中具有较高能量的电子激发到杂质能级，在价带中产生空态（空穴）。这种杂质原子称为受主，含有这种杂质的半导体称为P型半导体。

2.一些相关的光电效应

辐射探测器所涉及的光电效应主要是三种：光电发射效应、光电导效应、光伏效应（或称为光生伏特效应）。

（1）光电发射效应 光电发射效应是指物质受到光照后，如果入射的光子能量足够大，则它与物质的电子相互作用可使电子逸出物质表面（向外发射电子）。其也常简单地称为外光电效应。

光电发射效应具有下面一些特点：一是对一定频谱的入射光线，光电阴极的饱和光电发射电流与阴极吸收的光通量成正比。二是发射出的光电子的最大动能随入射光的频率增高线性增大，但与光强无关。三是对某种被照射物质，只在入射光的频率高于某个值时才会出现光电子发射，该频率值与光强度无关。上面三点，也称为光电发射三定律。

实验证明，光电发射的延迟时间不超过3×10^-13s数量级。

（2）光电导效应 光电导效应是指固体受到光照改变电导率的现象。半导体和绝缘体都有光电导效应。电导率正比于载流子与其迁移率的乘积，因此凡是能激发出载流子的入射光，都能产生光电导效应。

对于半导体，入射光可以把电子从价带激发到导带，或者使电子在杂质能级与能带间发生跃迁，增加电子和空穴浓度，从而改变了电导率。图A-5是半导体光电导原理示意图。

图A-4 半导体的能带结构

纯净（和结构完整）的半导体称为本征半导体。实际的半导体经常含有杂质或缺陷。一些杂质原子可以比半导体的原子具有较多的电子，这些额外电子不能容纳在原来晶体的价带中，它们将占有导带下方的某些分立能级。由于这些能级与导带的能量间隙很小（可为十分之几电子伏），电子容易被激发到导带。这类杂质原子称为施主，含有这种杂质的半导体称为N型半导体。相反，另一些杂质原子可以比半导体的原子具有较少的电子，它们引进空的分立能级，能级很靠近价带顶部。这使得很容易把价带中具有较高能量的电子激发到杂质能级，在价带中产生空态（空穴）。这种杂质原子称为受主，含有这种杂质的半导体称为P型半导体。

2.一些相关的光电效应

辐射探测器所涉及的光电效应主要是三种：光电发射效应、光电导效应、光伏效应（或称为光生伏特效应）。

（1）光电发射效应 光电发射效应是指物质受到光照后，如果入射的光子能量足够大，则它与物质的电子相互作用可使电子逸出物质表面（向外发射电子）。其也常简单地称为外光电效应。

光电发射效应具有下面一些特点：一是对一定频谱的入射光线，光电阴极的饱和光电发射电流与阴极吸收的光通量成正比。二是发射出的光电子的最大动能随入射光的频率增高线性增大，但与光强无关。三是对某种被照射物质，只在入射光的频率高于某个值时才会出现光电子发射，该频率值与光强度无关。上面三点，也称为光电发射三定律。

实验证明，光电发射的延迟时间不超过3×10^-13s数量级。

（2）光电导效应 光电导效应是指固体受到光照改变电导率的现象。半导体和绝缘体都有光电导效应。电导率正比于载流子与其迁移率的乘积，因此凡是能激发出载流子的入射光，都能产生光电导效应。

对于半导体，入射光可以把电子从价带激发到导带，或者使电子在杂质能级与能带间发生跃迁，增加电子和空穴浓度，从而改变了电导率。图A-5是半导体光电导原理示意图。

图A-5 半导体光电导原理示意图

a）本征型光电导 b）杂质型光电导

图A-5 半导体光电导原理示意图

a）本征型光电导 b）杂质型光电导(www.xing528.com)

图A-6 光伏效应示意图

产生光电导效应的基本条件是：入射光光子的能量必须不小于激发过程相应的能量间隙，也就是禁带宽度或杂质能级与某能带的能量间隙。即，光电导效应存在最大响应波长，称为光电导的长波限。

采用光电导制作光电器件时，最主要考虑的是光电导的灵敏度、弛豫时间、光谱分布。

灵敏度指一定光强下光电导的强弱，常用光电增益表示。光照射到物体后，光电导会逐渐增加，最后达到稳定。光照停止，光电导需要经过一段时间逐渐消失，这就是光电导的弛豫现象。弛豫时间是指光电导的上升时间或下降时间，也称为响应时间。弛豫时间短，则光电导反应快。显然，希望弛豫时间短。半导体的光电导与光照波长密切相关，它是半导体光电导特性的一个重要方面。只有确定了光谱分布，才能利用光电导比较不同波长的光强。

（3）光伏效应 光伏效应（或称为光生伏特效应），是指光照引起电动势现象，如图A-6所示。它可发生在半导体材料内部，也可发生在半导体的界面。但通常，光伏效应仅指后一种情况。

半导体界面包括：半导体的PN结、金属与半导体接触的界面、不同半导体材料的异质界面、金属-绝缘体-半导体系统界面。在这些界面，共同的特点是存在空间电荷区，它可以建立很强的自建电场。光照时产生的电子-空穴对，在自建电场的作用下运动。电子移向N区，空穴移向P区，形成光生电流。光生电流使N区和P区分别积累了负电荷和正电荷，在PN结上形成电势差。

一般说，光生电压随光强增加而增大。

3.闪烁现象

闪烁是指高能粒子照射物体时引起瞬时闪光现象，闪光的持续时间一般不大于10^-6s。可以产生闪烁现象的物体称为闪烁体。即，闪烁体可以吸收能量，并把吸收的一部分能量以光的形式再发射出来。闪烁体将射线转换为荧光辐射的过程是一种光致发光过程。

无机闪烁体的发光机制由晶格的能量状态决定。按照能带理论，电子在晶格中具有离散的能带。在价带，电子被束缚在晶格内。在导带，电子可以在晶体内自由运动。价带和导带之间为禁带，对纯晶体禁带不能存在电子。在晶体内掺入杂质，即激活剂，可使禁带中产生一些杂质能级，则改变了纯晶体的能级结构。

图A-6 光伏效应示意图

产生光电导效应的基本条件是：入射光光子的能量必须不小于激发过程相应的能量间隙，也就是禁带宽度或杂质能级与某能带的能量间隙。即，光电导效应存在最大响应波长，称为光电导的长波限。

采用光电导制作光电器件时，最主要考虑的是光电导的灵敏度、弛豫时间、光谱分布。

灵敏度指一定光强下光电导的强弱，常用光电增益表示。光照射到物体后，光电导会逐渐增加，最后达到稳定。光照停止，光电导需要经过一段时间逐渐消失，这就是光电导的弛豫现象。弛豫时间是指光电导的上升时间或下降时间，也称为响应时间。弛豫时间短，则光电导反应快。显然，希望弛豫时间短。半导体的光电导与光照波长密切相关，它是半导体光电导特性的一个重要方面。只有确定了光谱分布，才能利用光电导比较不同波长的光强。

（3）光伏效应 光伏效应（或称为光生伏特效应），是指光照引起电动势现象，如图A-6所示。它可发生在半导体材料内部，也可发生在半导体的界面。但通常，光伏效应仅指后一种情况。

半导体界面包括：半导体的PN结、金属与半导体接触的界面、不同半导体材料的异质界面、金属-绝缘体-半导体系统界面。在这些界面，共同的特点是存在空间电荷区，它可以建立很强的自建电场。光照时产生的电子-空穴对，在自建电场的作用下运动。电子移向N区，空穴移向P区，形成光生电流。光生电流使N区和P区分别积累了负电荷和正电荷，在PN结上形成电势差。

一般说，光生电压随光强增加而增大。

3.闪烁现象

闪烁是指高能粒子照射物体时引起瞬时闪光现象，闪光的持续时间一般不大于10^-6s。可以产生闪烁现象的物体称为闪烁体。即，闪烁体可以吸收能量，并把吸收的一部分能量以光的形式再发射出来。闪烁体将射线转换为荧光辐射的过程是一种光致发光过程。

无机闪烁体的发光机制由晶格的能量状态决定。按照能带理论，电子在晶格中具有离散的能带。在价带，电子被束缚在晶格内。在导带，电子可以在晶体内自由运动。价带和导带之间为禁带，对纯晶体禁带不能存在电子。在晶体内掺入杂质，即激活剂，可使禁带中产生一些杂质能级，则改变了纯晶体的能级结构。

图A-7 无机闪烁体发光过程的示意图

图A-7 无机闪烁体发光过程的示意图

图A-8 有机闪烁体发光过程的示意图

入射到晶体的辐射所损失的能量，使电子从价带跃迁到导带，在晶体中形成大量的电子-空穴对。空穴运动到激活剂，则使激活剂处于电离状态。电子运动到电离状态的激活剂，形成处于激发态的激活剂。激活剂直接从激发态跃迁到基态释放能量，则形成荧光辐射。如果激活剂需要进入能量更高的激发态，则形成磷光辐射。有机闪烁体的发光过程，简单说是有机闪烁体的分子吸收能量后被激发到高能态，经过无辐射退激后发生跃迁，产生荧光辐射。如果还经过内过渡过程，再发生跃迁，则产生磷光辐射。图A-7是无机闪烁体发光过程的示意图。图A-8是有机闪烁体发光过程的示意图。

关于荧光与磷光概念通常也认为，当激发停止时发射也即刻停止，且衰退规律与温度无关的是荧光；当激发停止后发射体继续存留，且衰退规律与温度有关的是磷光（荧光是指激发停止后，发光持续时间小于10^-8s的发光；磷光是指激发停止后，发光持续时间大于10^-8s的发光。通常认为，某种形式的能量激发，发射体引起的电磁辐射的发射，当激发停止时发射也即刻停止，且衰退规律与温度无关的是荧光；当激发停止后发射体继续存留，且衰退规律与温度有关的是磷光）。

4.热释电效应

在探测热辐射时，还会用到其他类型的物理效应，下面仅简单介绍热释电效应。

热释电效应是指某些晶体的电极化强度随温度变化而释放表面吸附的部分电荷。具有热释电效应的晶体称为热电体。

在热电体中，离子沿极化轴正反两个方向的配置不完全相同，由此产生电矩，导致热电体沿极化轴方向出现不等于零的宏观固有极化强度。通常情况下，晶体表面上的总电矩的正负端将吸附异性电荷，直到完全抵消总电矩产生的宏观电场。当温度变化时，极化强度改变，由此导致释放部分表面电荷。

热释电效应的大小与晶体受到的机械约束有关，典型的热电体的热释电系数（单位温度变化引起的极化强度改变量）为10^-5数量级。在恒定温度下，为产生相当于1℃引起的极化强度改变量，约需施加70kV/m的外电场。铁电体的热释电效应比非铁电体大很多。

图A-8 有机闪烁体发光过程的示意图

入射到晶体的辐射所损失的能量，使电子从价带跃迁到导带，在晶体中形成大量的电子-空穴对。空穴运动到激活剂，则使激活剂处于电离状态。电子运动到电离状态的激活剂，形成处于激发态的激活剂。激活剂直接从激发态跃迁到基态释放能量，则形成荧光辐射。如果激活剂需要进入能量更高的激发态，则形成磷光辐射。有机闪烁体的发光过程，简单说是有机闪烁体的分子吸收能量后被激发到高能态，经过无辐射退激后发生跃迁，产生荧光辐射。如果还经过内过渡过程，再发生跃迁，则产生磷光辐射。图A-7是无机闪烁体发光过程的示意图。图A-8是有机闪烁体发光过程的示意图。

关于荧光与磷光概念通常也认为，当激发停止时发射也即刻停止，且衰退规律与温度无关的是荧光；当激发停止后发射体继续存留，且衰退规律与温度有关的是磷光（荧光是指激发停止后，发光持续时间小于10^-8s的发光；磷光是指激发停止后，发光持续时间大于10^-8s的发光。通常认为，某种形式的能量激发，发射体引起的电磁辐射的发射，当激发停止时发射也即刻停止，且衰退规律与温度无关的是荧光；当激发停止后发射体继续存留，且衰退规律与温度有关的是磷光）。

4.热释电效应

在探测热辐射时，还会用到其他类型的物理效应，下面仅简单介绍热释电效应。

热释电效应是指某些晶体的电极化强度随温度变化而释放表面吸附的部分电荷。具有热释电效应的晶体称为热电体。

在热电体中，离子沿极化轴正反两个方向的配置不完全相同，由此产生电矩，导致热电体沿极化轴方向出现不等于零的宏观固有极化强度。通常情况下，晶体表面上的总电矩的正负端将吸附异性电荷，直到完全抵消总电矩产生的宏观电场。当温度变化时，极化强度改变，由此导致释放部分表面电荷。

热释电效应的大小与晶体受到的机械约束有关，典型的热电体的热释电系数（单位温度变化引起的极化强度改变量）为10^-5数量级。在恒定温度下，为产生相当于1℃引起的极化强度改变量，约需施加70kV/m的外电场。铁电体的热释电效应比非铁电体大很多。