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正电子是电子的反粒子，带正电荷，质量与电子相同。当正电子与电子相遇时，会发生湮灭反应，两个粒子消失并产生两个能量为511千电子伏特的伽马射线光子。正电子在物质中的寿命通常为100到500皮秒，在湮灭前会经历约1皮秒的热化过程。这一基本物理现象是正电子湮灭谱仪技术的核心原理。
正电子湮灭谱仪由四个主要部分构成。正电子源通常使用钠22同位素，发射正电子进入样品室。当正电子在样品中湮灭时，产生的两个伽马射线被对置的探测器同时检测。数据采集系统记录伽马射线的能量和时间信息，生成多普勒展宽谱和正电子寿命谱。多普勒展宽谱反映电子动量分布，寿命谱反映正电子在不同环境中的平均寿命，这些信息可用于分析材料的微观缺陷结构。
半导体材料中存在多种类型的缺陷结构。点缺陷包括空位和间隙原子，是最基本的缺陷形式。线缺陷主要指位错，是原子排列的线性错位。面缺陷如晶界，是不同晶粒之间的界面。体缺陷包括空洞和析出相等三维缺陷。正电子由于其正电荷特性，容易被这些带负电的缺陷区域捕获。不同类型的缺陷会导致正电子寿命的显著差异，缺陷中的正电子寿命通常比在完整晶格中的寿命更长，这为缺陷检测提供了物理基础。
掺杂原子的引入会显著改变半导体的电子结构和缺陷形成能，从而影响正电子的行为特征。在掺杂区域，正电子的寿命谱和动量分布都会发生变化。通过对比纯净区域和掺杂区域的谱图特征，可以定量分析掺杂浓度和分布深度。正电子湮灭技术相比其他检测方法具有独特优势：首先是非破坏性，不会损伤样品；其次具有极高灵敏度，可检测ppm级别的掺杂浓度；还具备深度分辨能力，可分析不同深度的掺杂分布；最后能够识别不同类型的缺陷结构，为材料表征提供丰富信息。
以硅基半导体中磷掺杂分布检测为实际案例。首先制备含有磷掺杂层的硅样品，掺杂层厚度约0.8微米。在正电子湮灭谱仪上进行测量，设置合适的探测参数和数据采集时间。从获得的寿命谱中可以识别出两个特征寿命成分：150皮秒对应掺杂区域，50皮秒对应体硅区域。多普勒展宽谱显示了电子动量分布的变化，反映掺杂原子对电子结构的影响。通过定量分析这些谱图特征，可以确定磷掺杂浓度为2.5乘以10的16次方每立方厘米，分布深度为0.8正负0.1微米。该测量方法的精度可达到正负5%，为半导体器件的质量控制和工艺优化提供了可靠的检测手段。