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半導體探測器的奧秘：它們是如何精確測量輻射的？
在現今科技日新月異的背景下，半導體探測器以其優異的性能在輻射測量領域中發揮著重要作用。這些裝置以半導體材料（通常是矽或鍺）為基礎，能夠探測並量測入射的帶電粒子或光子所造成的影響。此類探測器廣泛應用於輻射防護、伽馬射線及 X 射線光譜學，並作為粒子探測器，展現了其無法替代的價值。
半導體探測器的要義在於對自由電荷載體的探測，這是依靠輻射所激發的載流子。
探測機制
在半導體探測器中，當離子輻射進入探測器時，它會在探測材料內部激發出自由電子及電子孔。這些自由載流子數量與輻射的能量成正比。這意味著，辐射每次引发的电子-空穴对的数目可以用来测量测试的辐射的能量。
透過電場的影響，電子及孔會分別移動到電極，進而在外部電路中產生可測量的脈衝。這一過程是根據 Shockley-Ramo 定理所描述的。與氣體探測器相比，半導體探測器需要的能量來生成電子-空穴對相對較低，使得脈衝幅度的統計變異小，並提高了能量解析度。此外，由於電子的運動速度快，其時間解析度也極佳。
探測器類型
矽探測器
大多數矽粒子探測器通過掺雜狹窄的矽條帶，使其轉變為二極體，然後進行反向偏置。當帶電粒子穿過這些條帶時，會引發小的電離電流，這可以被檢測並測量。這種設計使得矽探測器在粒子加速器的碰撞點周圍配置成千上萬的檢測器，可以準確描繪粒子的運行路徑。
鑽石探測器
鑽石探測器與矽探測器有許多相似之處，但預計在高輻射硬度和極低的漂移電流方面具有顯著的優勢。同時，它們也適合用於中子探測。現階段，鑽石探測器的製造成本較高且製作難度大。
鍺探測器
鍺探測器主要用於核物理中的伽馬光譜學及 X 射線光譜學，其靈敏層厚度可達幾厘米，使得它們能作為對伽馬射線的完全吸收檢測器。鍺探測器需要保持在液氮溫度下才能發揮良好的光譜工作效率，這因為在較高溫度下，電子容易跨越能帶間隙，引入過多的電噪聲，也限制了其應用。
碲化鎘和鋅碲化鎘探測器
碲化鎘（CdTe）和鋅碲化鎘（CZT）探測器已被開發用於 X 射線及伽馬射線光譜學。這些材料的高密度使其能有效阻擋傳統矽基傳感器無法探測的高於 20 keV 的 X 射線與伽馬射線。由於這兩種材料具有寬帶隙，因而可在接近室溫的條件下運行，這使得它們在應用上具有更大的靈活性。
整合系統
半導體探測器通常被集成進入各種輻射測量應用的更大系統中。例如，使用高純度鍺探測器的伽馬光譜儀，通常需要在低背景環境中測量微量的伽馬放射性核素。隨著技術的進步，透明的自動取樣系統也相繼被開發出來，以便在封閉的鉛盾內自動移動樣品。
結論
隨著半導體探測器在輻射測量中的應用越來越廣泛，其技術上的不斷革新和改進，將進一步推動核物理和輻射防護的發展。究竟這些高科技的探測器將如何在未來的應用中改變我們對輻射的理解呢？
