由Cd、Zn、Te三元組成的碲鋅鎘(CdZnTe也可簡稱：CZT)晶體，是性能最好的室溫核輻射探測半導(dǎo)體材料之一。從材料學(xué)的角度來看，碲鋅鎘晶體是一種固溶體，由CdTe晶體演變而來。CdTe可以看成由Cd原子組成的面心立方，在沿體對角線方向平移四分之一個對角線長度位置，嵌套一個Te原子組成的面心立方形成。將其中的一部分Cd原子替換為Zn原子，就形成了碲鋅鎘晶體，也即碲鋅鎘晶體是CdTe和ZnTe形成的固溶體其中固溶度通常由下標(biāo)x表示，即Cd1-xZnxTe，最常見的x值有兩種：當(dāng)x=0.04時，碲鋅鎘的晶格常數(shù)與紅外探測材料碲鎘汞（MCT）完全匹配，是性能優(yōu)異的紅外探測器外延襯底；當(dāng)x=0.1時，是探測器級的碲鋅鎘。
半導(dǎo)體探測器通常都基于光電效應(yīng)，即光子照射在半導(dǎo)體中會使半導(dǎo)體中的電子電離，形成電子空穴對，即非平衡載流子。在外加偏壓的影響下，載流子會向探測器電極漂移，形成電信號，對該信號進(jìn)行放大，就能實現(xiàn)對光子的探測。不同于傳統(tǒng)的閃爍體探測器，半導(dǎo)體探測器基于從光直接轉(zhuǎn)化為電信號，屬于直接轉(zhuǎn)化；而閃爍體探測器通常會將高能光信號轉(zhuǎn)化為可見光信號，再通過光電倍增管或可見光探測器將可見光信號轉(zhuǎn)化為電信號，屬于間接轉(zhuǎn)化。因此，通常來說，半導(dǎo)體探測器相比于閃爍體探測器，探測效率更高，靈敏度也更高。
碲鋅鎘輻射探測原理圖
對光子的吸收效率是探測效率的重要影響因素。碲鋅鎘的平均原子序數(shù)較大，其對光子的吸收較強。同時，碲鋅鎘的電子遷移率大約為1000 cm2/Vs，壽命大約為10-5?ns量級，這保證了電子具有較快的漂移速度和較長的漂移程，使得探測信號的響應(yīng)時間很快，大約在幾到幾十 ns量級，信號的能量線性也相對較好。
碲鋅鎘晶體由于其材料特性，對中低能量射線具有較高的探測效率，且能量分辨率和空間分辨率也較高。例如3.5%@59.5keV，241Am；2.5%@122 keV，57Co；1.0%@662keV，137Cs等都遠(yuǎn)超市面上其他室溫半導(dǎo)體材料在相同能量下的分辨率。
溫度響應(yīng)特性主要指碲鋅鎘探測器在不同工作溫度下保持良好性能的穩(wěn)定性程度。由于晶體材料本身特性影響，碲鋅鎘探測器在60℃以后才會發(fā)現(xiàn)明顯的光電峰位偏移現(xiàn)象，穩(wěn)定性極佳。
04 . 高空間分辨率
碲鋅鎘晶體對低能X、γ射線具有較高的探測效率，其空間分辨率（表示圖像能夠區(qū)分的最小尺寸單元）較高。尤其是光子計數(shù)型探測器方面，可以通過光刻技術(shù)將像素做的很小，最小空間分辨率可至70μm，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
然而，制約碲鋅鎘材料發(fā)展的主要因素在于它的制備難度。熔體法生長碲鋅鎘晶體時，碲鋅鎘熔體具有較高的動力學(xué)粘度（約10 mPa··s）,極低的熱導(dǎo)率（約為1 W/m·K），這使得碲鋅鎘晶體生長時熔體內(nèi)部的熱量難以傳導(dǎo)，且物質(zhì)不易均勻化；熔點附近較高的Cd蒸氣壓（1.3 atm），在晶體中大量形成Cd空位缺陷，降低材料電阻率；極低的臨界剪切應(yīng)力（0.3 Mpa），使得材料極易開裂；CdTe-ZnTe以任意比例固溶穩(wěn)定存在，導(dǎo)致極易產(chǎn)生Zn在碲鋅鎘中的不均勻分布。由于這些普遍存在的難點，單晶率是碲鋅鎘材料制備的首要難點。迪泰克不僅攻克了單晶生長技術(shù)，還對碲鋅鎘晶體進(jìn)行系統(tǒng)的缺陷工程研究，從產(chǎn)業(yè)角度對碲鋅鎘中的各種缺陷進(jìn)行控制平衡，極大提高了成品率。在介萬奇教授的帶領(lǐng)下，公司技術(shù)團(tuán)隊克服制備難點，采用改良的布里奇曼法，批量生產(chǎn)探測器級的碲鋅鎘晶體，單晶率處于國際領(lǐng)先水平。
| 常見半導(dǎo)體探測器材料性能匯總 | |||||||||
| 材料 | 密度 （g·cm-3) | 最大原子序數(shù) | 電阻率 （Ω·cm） | 禁帶寬度 （eV） | 平均電離能 （eV） | 電子遷移率 (cm2·V-1·s-1) | 電子壽命 （μs） | 空穴遷移率 (cm2·V-1·s-1) | 空穴壽命 （μs） |
| CdZnTe | 5.75 | 52 | ＞1010 | 1.55-1.6 | 4.6 | 1100-1600 | 1-10 | 30-80 | 0.1-1 |
| CdTe | 5.85 | 52 | 109-1011 | 1.44 | 4.43 | 800-1200 | 0.33-4 | 90 | 2 |
| 金剛石 | 3.5 | 6 | >1016 | 5.5 | 13.6 | 1800 | - | 1200 | - |
| CdMnTe | 5.81 | 52 | 1010 | 1.59-1.725 | 5 | >1000 | 1.17 | 60 | 1 |
| TIBr | 7.56 | 81 | 1010-1011 | 2.68 | 5.85-6.5 | 10-6-10-3 | 10-5-10-4 | ||
| Si | 2.33 | 14 | 105 | 1.12-1.16 | 3.62-3.76 | 1350 | 103-104 | 480 | 500 |
| Sic | 3.2 | 14 | 5.1*1010 | 3.26 | 7.4 | 450 | - | 115 | - |
| HPGe | 5.35 | 32 | 50 | 0.27-0.746 | 2.96 | 3900 | >103-104 | 1900 | 2*(103-104) |
| BN | 2.27-3.487 | 7 | 5*1010-1016 | 6-6.5 | - | 10-4 | 10-4 | ||
| GaAs | 5.32 | 33 | 107-109 | 1.43 | 4.51 | 8000 | 400 | ||
| InSb | 5.78 | 51 | 4.6*103 | 0.165 | 3.5 | 78000 | 750 | ||
| 非晶Se | 4.81 | 34 | 1012-1014 | 2-2.3 | 2.3-2.45 | 2-7 | 10-103 | 0.13-0.14 | 10-500 |
| HgI2 | 6.4 | 80 | 1013 | 2.1-2.13 | 4.3 | 100 | 400 | 4 | 10 |
| PbI2 | 6.2 | 82 | 1011-1012 | 2.27 | 4.9 | 8 | 0.01-0.1 | 2 | 0.01-0.1 |
| Bil3 | 5.8 | 83 | (2-5)*109 | 2 | - | 600 | 20 | - | |
X射線成像經(jīng)歷了從最早的攝影干板到膠片/增感屏組合，到目前數(shù)字化X射線圖像的各階段的進(jìn)步。二十世紀(jì)60年代末至70年代初以來，隨著計算機與微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，席卷全球的數(shù)字化技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)已經(jīng)對X光影像設(shè)備產(chǎn)生廣泛而深遠(yuǎn)的影響。20世紀(jì)80年代，日本富士公司推出數(shù)字化X射線成像技術(shù)（Computed Radiograph，即CR）CR技術(shù)采用影像板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的膠片/增感屏來記錄X射線，再用激光激勵影像板，通過專用的讀出設(shè)備讀出影像板存儲的數(shù)字信號，之后再用計算機進(jìn)行處理和成像。到20世紀(jì)90年代又出現(xiàn)了直接數(shù)字化X射線成像技術(shù)（Digital Radiography，即DR），DR技術(shù)的探測器可以迅速將探測到的X射線信號直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸出，而不需要CR中的激光掃描和專用的讀出設(shè)備。
光子計數(shù)的概念從20世紀(jì)80年代提出以來，在弱光和微光的探測領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。近年來，隨著X射線光子計數(shù)探測器的飛速發(fā)展及高速處理電子學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，使其可實現(xiàn)短時間大計數(shù)的X射線成像，因此成為X射線成像領(lǐng)域研究的大熱門。光子計數(shù)型X射線探測器可以通過設(shè)置電子學(xué)閾值，濾除能量較低的脈沖，從而可以完全消除低能噪聲對成像結(jié)果的影響。通過設(shè)置更多的電子學(xué)閾值，可以甄別每個入射光子與物質(zhì)相互作用得到的脈沖信號，識別入射光子的能量信息并將其對應(yīng)到不同的能區(qū)分別進(jìn)行累計，從而將較寬能譜分布的X射線分能區(qū)進(jìn)行計數(shù)，直接得到不同能區(qū)的成像結(jié)果。它相當(dāng)于將能譜信息引入到傳統(tǒng)的X射線成像中，因此也被稱為“X射線彩色成像”。與傳統(tǒng)的電荷積分式探測器相比，光子計數(shù)探測器具有很多的優(yōu)勢。首先，它可以消除低能噪聲對成像的干擾，有效提高了圖像質(zhì)量；另外，它引入了能譜的信息，一次掃描可以得到不同能區(qū)的成像結(jié)果，將X射線成像由“黑白”升級為“彩色”，實現(xiàn)物質(zhì)識別的功能性成像；同時，多能譜光子計數(shù)X射線成像技術(shù)對于提高圖像質(zhì)量、信噪比和檢測精度，降低輻射劑量有著重要意義，是未來X射線成像發(fā)展的趨勢。
光子計數(shù)成像技術(shù)最核心的部分在于探測器材料的選擇和器件制備。在探測器材料中，半導(dǎo)體探測器材料因其可直接實現(xiàn)將X光信號轉(zhuǎn)化為電信號，相比閃爍體材料有較大的優(yōu)勢。碲鋅鎘 (CdZnTe以下簡稱：CZT)相比于其它半導(dǎo)體輻射探測材料，具有可在室溫下工作（禁帶寬度大）、計數(shù)率高、能量分辨率高、空間分辨率高、對高能γ射線也有較高的探測效率等優(yōu)點，被認(rèn)為是綜合性能最佳的半導(dǎo)體輻射探測材料。同時，CZT有較高的電子遷移率，較高的信噪比，對20keV-200keV較大的吸收系數(shù)，也極其符合光子計數(shù)成像的要求。過去數(shù)十年的研究發(fā)現(xiàn)，CZT探測器是實現(xiàn)多能譜光子計數(shù)X射線探測器的最佳選擇。目前在全世界范圍內(nèi)，基于CZT的光子計數(shù)CT、礦石分選設(shè)備、安檢設(shè)備等X射線成像儀器設(shè)備，都成為研究和產(chǎn)品開發(fā)的大熱門。
傳統(tǒng)成像與光子計數(shù)成像基本原理比較
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