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正电子是电子的反粒子，具有与电子相同的质量但相反的电荷。当正电子在材料中运动并与电子相遇时，会发生湮灭反应。这个过程中，正电子和电子的质量完全转化为能量，产生两个能量各为511千电子伏特的伽马射线光子。这些光子沿着相反的方向发射，其角度分布携带了电子动量的信息。这种湮灭辐射的特征为我们提供了探测材料内部结构的独特手段。
正电子湮灭谱仪主要由四个核心部分组成。首先是正电子源，通常使用钠22放射性同位素，它通过β+衰变产生连续的正电子束。样品室提供真空环境和温度控制，确保测量条件的稳定性。探测器系统采用高效的钡氟化合物闪烁体探测器配合光电倍增管，能够精确探测511千电子伏特的伽马射线。最关键的是时间符合测量技术，它要求两个探测器同时检测到来自同一湮灭事件的伽马射线对，这样可以有效排除背景噪声，提高测量精度。数据采集系统将符合信号转换为可分析的谱学信息。
正电子在半导体材料中的行为非常独特。首先，正电子通过热扩散在晶格中运动，扩散长度通常在一百纳米左右。在扩散过程中，正电子会被各种缺陷俘获，包括空位、杂质原子和位错等。不同类型的缺陷对正电子的俘获能力不同，从而导致正电子寿命的变化。在完美的晶格中，正电子寿命约为200皮秒，而被单空位俘获后寿命延长到250皮秒，空位团俘获则可达400皮秒。这种寿命差异正是正电子湮灭谱学技术检测缺陷的物理基础。此外，半导体的能带结构形成负亲和势阱，进一步影响正电子的行为和湮灭特性。
掺杂物检测的核心原理是掺杂原子会显著改变半导体的电子结构和缺陷分布，从而影响正电子的俘获和湮灭特性。通过寿命谱分析，我们可以区分自由湮灭和缺陷俘获湮灭两个成分。多普勒展宽谱提供了电子动量分布信息，其中S参数反映低动量成分，W参数反映高动量成分。不同类型的掺杂会产生特征性的谱线变化：n型掺杂增加电子浓度，p型掺杂增加空穴浓度，这些变化都会在谱学参数中得到体现。通过建立校准曲线，可以实现掺杂浓度的定量测量，掺杂浓度与谱学参数变化呈现良好的线性关系。
深度分布测量是正电子湮灭谱仪的重要功能，通过变能正电子束技术实现。该技术的核心是调节正电子的入射能量来控制其在材料中的注入深度。正电子能量范围通常为0.1到30千电子伏特，对应的注入深度从1纳米到2微米。能量与深度的关系遵循幂函数规律，平均注入深度等于材料常数除以密度再乘以能量的1.6次方。测量策略是进行多能量扫描，在每个能量下提取谱学参数，然后利用VEPFIT等反演算法从这些参数重构出掺杂物的深度分布剖面。这种层析测量技术为半导体器件的三维结构表征提供了强有力的工具。