1.半导体辐射探测器的工作原理
半导体辐射探测器是一个工作在反向偏压的PN结二极管，可看作是一个介质为半导体的固体电离室。在PN结内自建电场作用下，电子和空穴被自建电场收集，结区内无载流子，形成耗尽层。耗尽层即为灵敏层（结区），在反向偏压作用下，耗尽层进一步加大。当辐射入射到半导体时，损失的能量在耗尽层产生大量电子-空穴对。在电场作用下，电子和空穴分别向两极漂移，在输出回路形成脉冲信号。通过检测脉冲信号实现对辐射的探测。输出脉冲的高度可判断入射光子的能量，输出脉冲的数量可判断入射光子的数量。图A-18是其基本结构和工作原理示意图。
2.半导体辐射探测器结构
目前的半导体辐射探测器，基本结构可分为两种类型。一种是直接转换型，另一种是间接转换型。直接转换型采用半导体将辐射转换为电信号，再采用电信号检测部分完成对辐射的探测。间接转换型主要采用闪烁体将辐射转换为光信号，再采用半导体将辐射转换为电信号，最后采用电信号检测部分完成对辐射的探测。图A-19显示了这两种半导体辐射探测器的基本结构。
图A-18 半导体辐射探测器的工作原理示意图
图A-19 半导体辐射探测器的基本结构
a）直接转换型基本结构 b）间接转换型基本结构
直接转换型半导体辐射探测器与间接转换型半导体辐射探测器相比，其优点是减少了中间转换环节，有利于提高图像质量。图A-20比较了不同转换方式像元的扩展特点。但为提高对辐射的探测效率，则要求半导体探测层必须具有足够的厚度，这给制造工艺带来困难。
图A-21 光电二极管结构示意图
图A-20 不同转换方式像元的扩展特点
半导体辐射探测器与其他辐射探测器比较的特点是，可直接利用电子信号、可高速读出、可精确测量能量与位置、可将探测器与读出电子电路集成在一起等。
3.常用的半导体辐射探测器件
（1）光电二极管 光电二极管是一类光探测器件。光电二极管的基本结构是PN结，其基于的是光（生）伏（特）效应。
光电二极管按照衬底材料不同可以分成两种，一种以P型硅作为衬底（2DU型），另一种以N型硅作为衬底（2CU型）。此外，还有PIN硅光电二极管和雪崩型光电二极管（APD）等不同的光电二极管。图A-21是以P型硅作为衬底的PN结型光电二极管的结构示意图。其基本结构是在P型硅表面形成重掺杂N型层，接触区形成PN结。N型区上有SiO2保护膜，引出电极。P型区镀镍蒸铝，引出负电极。
在半导体界面存在空间电荷区，它建立了很强的自建电场。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。工作时，PN结加反向偏压，加大耗尽层宽度和电场强度，提高光吸收效率和对载流子的收集。当反向偏压增大到一定程度时，光生电流趋向饱和，大小仅取决于光照度。在很宽的光照范围内，光电二极管可以产生与入射光强度成正比的光生电流。即，可以把光信号转变成电信号，实现对光信号的探测。图A-22是光电二极管工作原理示意图。
图A-21 光电二极管结构示意图
图A-22 光电二极管工作原理示意图
（2）TFT（thin-film transistor薄膜晶体管）TFT的基本结构是在玻璃基板上，制作上半导体膜层，然后对膜层加工制成大规模半导体集成电路。TFT的单元实际是一个由源极、漏极、栅极组成的三端器件。在半导体膜层两端连接的是源极和漏极，与半导体相对的位置通过绝缘膜设置栅极，利用栅极电压控制源极与漏极间的电流。
在非晶硅辐射探测器中，TFT单元与一个光电二极管组成探测单元。TFT实际起像元开关的作用。
在非晶硒辐射探测器中，TFT单元与一个电容器组成探测单元。TFT实际起像元开关的作用。从辐射转换出的电荷积聚储存在电容上，储存电荷与入射辐射对应。读出时，施加电压信号，开关打开，电荷沿数据线流出，经放大、数字化，完成数字图像信息储存与处理。即每个TFT单元成为采集信息的最小单元，也即像素。
（3）CCD（电荷耦合器件）CCD是将可见光转换为数字信号的器件。
CCD的基本结构是密排的MOS二极管阵列（MOS电容），即金属-氧化物-半导体构成的电容。半导体为衬底，氧化物常用SiO2，金属指栅极材料，栅极也可以是多晶硅或难熔金属的硅化物。信息是电荷量（不是电流或电压量），电荷量与入射光（X射线）的强度成正比。因此每一CCD单元存储的电荷量即是潜像的一个单元。为了实现信息电荷储存，工作时MOS二极管将偏置到深耗尽状态。
图A-23是一个MOS电容的基本结构示意图。它以P型半导体Si作为衬底，通过氧化，在其表面形成SiO2绝缘层，然后电镀上一层金属作为另一电极。半导体-绝缘体-金属形成一个电容，具有存储电荷的功能。例如，衬底半导体Si接地，金属电极加上正偏压，电场将排斥半导体中的多数载流子——空穴，形成耗尽区。由于在耗尽区中电子的势能较低，耗尽区成为电子的势阱。偏压越高，势阱越深，可容纳的电子越多。
图A-22 光电二极管工作原理示意图
（2）TFT（thin-film transistor薄膜晶体管）TFT的基本结构是在玻璃基板上，制作上半导体膜层，然后对膜层加工制成大规模半导体集成电路。TFT的单元实际是一个由源极、漏极、栅极组成的三端器件。在半导体膜层两端连接的是源极和漏极，与半导体相对的位置通过绝缘膜设置栅极，利用栅极电压控制源极与漏极间的电流。
在非晶硅辐射探测器中，TFT单元与一个光电二极管组成探测单元。TFT实际起像元开关的作用。
在非晶硒辐射探测器中，TFT单元与一个电容器组成探测单元。TFT实际起像元开关的作用。从辐射转换出的电荷积聚储存在电容上，储存电荷与入射辐射对应。读出时，施加电压信号，开关打开，电荷沿数据线流出，经放大、数字化，完成数字图像信息储存与处理。即每个TFT单元成为采集信息的最小单元，也即像素。
（3）CCD（电荷耦合器件）CCD是将可见光转换为数字信号的器件。
CCD的基本结构是密排的MOS二极管阵列（MOS电容），即金属-氧化物-半导体构成的电容。半导体为衬底，氧化物常用SiO2，金属指栅极材料，栅极也可以是多晶硅或难熔金属的硅化物。信息是电荷量（不是电流或电压量），电荷量与入射光（X射线）的强度成正比。因此每一CCD单元存储的电荷量即是潜像的一个单元。为了实现信息电荷储存，工作时MOS二极管将偏置到深耗尽状态。
图A-23是一个MOS电容的基本结构示意图。它以P型半导体Si作为衬底，通过氧化，在其表面形成SiO2绝缘层，然后电镀上一层金属作为另一电极。半导体-绝缘体-金属形成一个电容，具有存储电荷的功能。例如，衬底半导体Si接地，金属电极加上正偏压，电场将排斥半导体中的多数载流子——空穴，形成耗尽区。由于在耗尽区中电子的势能较低，耗尽区成为电子的势阱。偏压越高，势阱越深，可容纳的电子越多。
图A-23 MOS电容的基本结构
在光照条件下，MOS电容衬底发生电子跃迁，形成电子-空穴对。在外电场作用下，电子和空穴分别向两极运动，形成电子电荷，即光生电荷。光生电荷存储在MOS电容的每个单元中。光生电荷的多少决定于射线能量和光子的数量，即每个MOS电容单元的电荷与图像的亮度对应。这样一来，图像就转换成了MOS电容的电荷分布。按一定相位顺序加上时钟脉冲时，在序列脉冲驱动下，光生电荷（信息电荷）将按规定方向沿衬底表面转移，形成图像视频信号。
在Si中造成一个电子-空穴对只需要3.7eV的能量，每个CCD像元可容纳的电子数约为106～107个。当射线的能量较高时，CCD像元可记录的射线光子数将受到限制。另外，高能量的射线辐照还可能损坏CCD芯片。因此一般采用闪烁体屏转换射线为可见光，再入射到CCD上。
CCD可分为表面沟道CCD（SCCD）和埋沟CCD（BCCD）。在表面沟道CCD中，电荷在半导体表面存储和转移。在埋沟CCD中，半导体表面掺有和衬底相反类型的杂质，电荷在紧靠半导体表面的内部存储和转移。
CCD可用于摄像（光注入）、信息处理（电注入）、数字存储（电注入）等。
（4）CMOS（互补金属氧化物半导体）CMOS在光电信号产生上与CCD相同，但在构造上和信号读取上不同于CCD，图A-24是CMOS器件像素单元基本结构。在CCD中，产生的信号电荷不经过放大传输到输出电路，而CMOS的各像素单元本身具有放大功能电路，产生的信号电荷在经过放大后传输到输出电路，使信号在传输路径中不易受到噪声影响。CMOS各像素信号可利用选择方式取出，而CCD信号只能按像素排列顺序输出。但在量子效率、信噪比、暗电流等方面，CMOS与CCD存在差距。
图A-23 MOS电容的基本结构
在光照条件下，MOS电容衬底发生电子跃迁，形成电子-空穴对。在外电场作用下，电子和空穴分别向两极运动，形成电子电荷，即光生电荷。光生电荷存储在MOS电容的每个单元中。光生电荷的多少决定于射线能量和光子的数量，即每个MOS电容单元的电荷与图像的亮度对应。这样一来，图像就转换成了MOS电容的电荷分布。按一定相位顺序加上时钟脉冲时，在序列脉冲驱动下，光生电荷（信息电荷）将按规定方向沿衬底表面转移，形成图像视频信号。
在Si中造成一个电子-空穴对只需要3.7eV的能量，每个CCD像元可容纳的电子数约为106～107个。当射线的能量较高时，CCD像元可记录的射线光子数将受到限制。另外，高能量的射线辐照还可能损坏CCD芯片。因此一般采用闪烁体屏转换射线为可见光，再入射到CCD上。
CCD可分为表面沟道CCD（SCCD）和埋沟CCD（BCCD）。在表面沟道CCD中，电荷在半导体表面存储和转移。在埋沟CCD中，半导体表面掺有和衬底相反类型的杂质，电荷在紧靠半导体表面的内部存储和转移。
CCD可用于摄像（光注入）、信息处理（电注入）、数字存储（电注入）等。
（4）CMOS（互补金属氧化物半导体）CMOS在光电信号产生上与CCD相同，但在构造上和信号读取上不同于CCD，图A-24是CMOS器件像素单元基本结构。在CCD中，产生的信号电荷不经过放大传输到输出电路，而CMOS的各像素单元本身具有放大功能电路，产生的信号电荷在经过放大后传输到输出电路，使信号在传输路径中不易受到噪声影响。CMOS各像素信号可利用选择方式取出，而CCD信号只能按像素排列顺序输出。但在量子效率、信噪比、暗电流等方面，CMOS与CCD存在差距。
图A-24 CMOS器件像素单元基本结构
4.主要的半导体辐射探测器类型(www.xing528.com)
（1）非晶硅探测器系统 非晶体也可以分为金属、半导体、绝缘体。实验证明，非晶体中每个原子周围的最邻近原子数和同质晶体一样，也是确定的，其空间排列大体保留晶体的特征，这个特点一般称为短程有序。其不同于晶体的长程有序，即非晶体的原子排列不具有周期性。短程有序决定了固体能带的基本特征，即能带的平均间距、能量状态的分布等。
非晶硅与单晶硅一样，也是半导体材料。非晶硅探测器是一种间接转换的探测器。其由闪烁体、非晶硅层（光电二极管阵列）、TFT阵列构成。图A-25是非晶硅探测器结构示意图。
图A-24 CMOS器件像素单元基本结构
4.主要的半导体辐射探测器类型
（1）非晶硅探测器系统 非晶体也可以分为金属、半导体、绝缘体。实验证明，非晶体中每个原子周围的最邻近原子数和同质晶体一样，也是确定的，其空间排列大体保留晶体的特征，这个特点一般称为短程有序。其不同于晶体的长程有序，即非晶体的原子排列不具有周期性。短程有序决定了固体能带的基本特征，即能带的平均间距、能量状态的分布等。
非晶硅与单晶硅一样，也是半导体材料。非晶硅探测器是一种间接转换的探测器。其由闪烁体、非晶硅层（光电二极管阵列）、TFT阵列构成。图A-25是非晶硅探测器结构示意图。
图A-25 非晶硅探测器结构示意图
采用非晶硅探测器已经制造了平板探测器，目前，平板探测器的主要性能典型的指标如下。
1）像素尺寸：127μm×127μm；
2）动态范围：大于2000∶1；
3）成像时间（包括数据修正）：5s左右；
4）适用能量范围：可达数十兆电子伏。
（2）非晶硒探测器系统 非晶硒探测器是一种直接转换的探测器，其基本组成部分是非晶硒（作为光电材料）和薄膜晶体管阵列（TFT）。
非晶硒探测器的结构可分为四部分。一是辐射转换单元，由非晶硒作为光电转换材料，将辐射转换为电信号。二是探测器单元，每个单元包括一个电容和一个TFT，产生的电荷积聚到电容，TFT施加上电压被激活，储存的电荷被读出。三是快速信号变化单元，其产生处理信号激活探测器单元TFT，将产生的电信号放大并送到A/D转换器。四是数字图像转换单元，连续地将数字图像传送到主计算机。
图A-25 非晶硅探测器结构示意图
采用非晶硅探测器已经制造了平板探测器，目前，平板探测器的主要性能典型的指标如下。
1）像素尺寸：127μm×127μm；
2）动态范围：大于2000∶1；
3）成像时间（包括数据修正）：5s左右；
4）适用能量范围：可达数十兆电子伏。
（2）非晶硒探测器系统 非晶硒探测器是一种直接转换的探测器，其基本组成部分是非晶硒（作为光电材料）和薄膜晶体管阵列（TFT）。
非晶硒探测器的结构可分为四部分。一是辐射转换单元，由非晶硒作为光电转换材料，将辐射转换为电信号。二是探测器单元，每个单元包括一个电容和一个TFT，产生的电荷积聚到电容，TFT施加上电压被激活，储存的电荷被读出。三是快速信号变化单元，其产生处理信号激活探测器单元TFT，将产生的电信号放大并送到A/D转换器。四是数字图像转换单元，连续地将数字图像传送到主计算机。
图A-26 非晶硒探测器成像原理图
图A-26 非晶硒探测器成像原理图
图A-27 线阵探测器（CMOS）的结构示意图
当射线照射到非晶硒时，将产生电子-空穴对，在外加偏压作用下，产生的电子-空穴对向相反方向移动，形成电流。电流在TFT电容上积聚，形成储存电荷。每个TFT上的储存电荷正比于射线的照射量，顺序读出，则可获得图像。图A-26是非晶硒探测器成像原理图。
（3）闪烁体结合CCD（或CMOS）探测器 目前，也研究和应用了采用闪烁体与CCD或CMOS结合构成的辐射探测器。其以闪烁体将辐射转换为可见光信号，采用CCD或CMOS将可见光转换为电信号，实现对辐射的探测。图A-27是这种线阵探测器的结构示意图。目前，工业应用的线阵探测器性能典型指标如下。
1）线阵列尺寸：157～614mm。
2）像素尺寸：80μm。
3）动态范围：大于2000∶1。
4）适用能量：20～450kV。
5）寿命：10年。
有报道称，可以得到更小的像素尺寸。
图A-27 线阵探测器（CMOS）的结构示意图
当射线照射到非晶硒时，将产生电子-空穴对，在外加偏压作用下，产生的电子-空穴对向相反方向移动，形成电流。电流在TFT电容上积聚，形成储存电荷。每个TFT上的储存电荷正比于射线的照射量，顺序读出，则可获得图像。图A-26是非晶硒探测器成像原理图。
（3）闪烁体结合CCD（或CMOS）探测器 目前，也研究和应用了采用闪烁体与CCD或CMOS结合构成的辐射探测器。其以闪烁体将辐射转换为可见光信号，采用CCD或CMOS将可见光转换为电信号，实现对辐射的探测。图A-27是这种线阵探测器的结构示意图。目前，工业应用的线阵探测器性能典型指标如下。
1）线阵列尺寸：157～614mm。
2）像素尺寸：80μm。
3）动态范围：大于2000∶1。
4）适用能量：20～450kV。
5）寿命：10年。
有报道称，可以得到更小的像素尺寸。
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