114年:醫物幅安(2)
關於半導體偵檢器，下列敘述何者正確？
A游離輻射在半導體偵檢器中產生正負離子對
B正離子受電場影響向負極移動，負離子或電子受電場影響向正極移動
C若無外加偏壓，正負離子易產生再結合
D外加偏壓為逆向偏壓
詳細解析
本題觀念：
本題測驗半導體偵檢器（Semiconductor detector）的基本工作原理。半導體偵檢器是一種利用游離輻射在固態半導體材料（如矽或鍺）中產生電荷載子來偵測輻射的儀器。與充氣式偵檢器（Gas-filled detectors）不同，半導體偵檢器的作用機制、載子種類以及電路配置皆具有特定的物理特性。
選項分析
- (A) 游離輻射在半導體偵檢器中產生正負離子對：錯誤。游離輻射在半導體材料中，是將價電帶（valence band）的電子激發至導電帶（conduction band），從而產生「電子-電洞對（electron-hole pairs）」。選項中所述的「正負離子對」是游離輻射在「氣體」中作用的產物，常見於充氣式偵檢器（如游離腔、蓋革計數器等）。
- (B) 正離子受電場影響向負極移動，負離子或電子受電場影響向正極移動：錯誤。半導體偵檢器中的電荷載子是「電洞」與「電子」，而非正負離子。在外加電場的作用下，帶正電荷的「電洞」會向負極移動，帶負電荷的「電子」會向正極移動。選項混淆了氣體偵檢器與半導體偵檢器的電荷載子種類。
- (C) 若無外加偏壓，正負離子易產生再結合：錯誤。無外加偏壓或偏壓不足時，載子確實容易發生再結合（recombination）而導致訊號流失。但誠如前述，半導體中發生再結合的對象是「電子與電洞」，而非「正負離子」。
- (D) 外加偏壓為逆向偏壓：正確。半導體偵檢器通常由 p-n 接面（p-n junction）或 p-i-n 結構組成。為了進行輻射偵測，必須對其施加「逆向偏壓（reverse bias）」。施加逆向偏壓可以擴大空乏區（depletion region）的體積（即增加輻射靈敏區）、降低背景漏電流（leakage current），並提供強大的內部電場，使游離產生的電子與電洞能迅速分離並被電極收集，避免其發生再結合。
答案解析
正確答案為 (D)。 半導體偵檢器的運作核心在於利用逆向偏壓下的 p-n 接面特性。當對半導體施加逆向偏壓時，多數載子會被推離接面，形成一個缺乏自由電荷的區域，稱為「空乏區（depletion region）」。這個空乏區就是游離輻射的偵測活性區。當入射輻射進入空乏區並損失能量時，會激發出電子-電洞對。逆向偏壓所建立的高電場能迅速將電子（移向正極）與電洞（移向負極）分離並收集，形成電脈衝訊號供後續測量。選項 A、B、C 敘述中的「正/負離子」皆為充氣式偵檢器的特徵，並不適用於固態的半導體偵檢器。
核心知識點
考生須熟練掌握各類輻射偵檢器的基本原理差異，特別是載子種類與能量消耗：
- 工作介質與載子：
- 半導體偵檢器（Ge, Si）：產生 電子-電洞對 (electron-hole pairs)。
- 充氣式偵檢器（游離腔、比例計數器、蓋革計數器）：產生 正負離子對 (ion pairs)。
- 能量解析度：半導體偵檢器產生一對電子-電洞對平均僅需約 3~4 eV 的能量，遠低於充氣式偵檢器產生離子對所需的約 30~35 eV。因此，吸收相同能量的輻射時，半導體偵檢器能產生更多的電荷載子，統計漲落較小，具備極佳的 能量解析度 (Energy resolution)。
- 偏壓極性：半導體偵檢器必須操作於 逆向偏壓 (reverse bias)，目的是擴大 空乏區 (depletion region)、減少漏電流，並快速收集電子與電洞以避免再結合。