Полупроводниковые детекторы

Регистрация заряженных частиц в полупроводниковых детекторах (ППД), также как и в газоразрядных, выполняется по измерению ионизационного эффекта. Однако, в отличие от газов, где возникновение проводимости газа обусловлено образованием положительных и отрицательных ионов в результате ионизации, механизм изменения проводимости полупроводников под действием излучения существенно иной. Полупроводники имеют кристаллическую структуру, для которой характерна сильная связь между атомами, осуществляемая посредством общих электронных оболочек. Поэтому неупругие взаимодействия заряженной частицы с кристаллической решеткой приводят к возникновению свободных электронов и отвечающих им свободных электронных уровней, играющих роль положительных зарядов и называемых дырками. Проводимость, обусловленная такими электронно-дырочными парами, называется вынужденной, в отличие от собственной проводимости полупроводника. В качестве рабочего вещества наибольшее распространение получили монокристаллы полупроводников - кремния (Si) и германия (Ge). В отличие от газов, которые при нормальных условиях являются хорошими диэлектриками, в полупроводниках под действием разности потенциалов, необходимой для собирания зарядов, течет постоянный электрический ток. Величина этого тока должна быть существенно меньше, чем амплитуда тока сигнала от заряженной частицы, иначе она не может быть зарегистрирована. Носителями электрического тока в полупроводниках являются дырки и электроны в зоне проводимости. По типу электрической проводимости полупроводники можно разделить на три типа:

Собственные полупроводники или полупроводники i - типа (от английского intrinsic – собственный). В таких полупроводниках при нагревании дырки и электроны в зоне проводимости всегда образуются парами. Такой процесс носит названия термогенерации. Количество дырок и электронов в собственных полупроводниках зависит от температуры, и при низкой температуре они становятся изоляторами. Однако получаемые промышленным способом полупроводники всегда содержат примеси, которые определяют проводимость полупроводников.

Полупроводники n - типа (n - negative). В этих полупроводниках проводимость обеспечивается электронами, которые поставляются в зону проводимости примесными атомами в кристаллической решетке. Такие примесные атомы называют донорами.

Полупроводники p – типа (p – positive). Если атомы примеси имеют на один электрон меньше, чем нужно для связи атомов основного вещества в кристаллы, то в кристаллической решетке возникают вакансии – дырки. Примеси такого рода называются акцепторами. Вакансия, захватив электрон из соседнего атома кристаллической решетки, перестает существовать, но в соседнем атоме возникает новая вакансия и т. д. Таким образом, дырки перемещаются по кристаллу, что эквивалентно движению положительного электрического заряда.

Схема включения ППД показана на рис. 5. Для повышения удельного сопротивления ППД в них создаются р - n- переходы, т.е. области р - и n -типа, имеющие металлический контакт. Между этими областями образуется двойной электрический слой (область 4), обедненный носителями зарядов и препятствующий проникновению носителей из одной области в другую. Этот слой является рабочей областью ППД. Если через этот слой пролетает ионизирующая частица и создает свободные носители, то они, перемещаясь под действием электрического поля, индуцируют сигнал во внешней цепи детектора. Ширина этой области (р - п -перехода) без внешнего смещения чрезвычайно мала (~10^-4 см), что приводит к малому рабочему объему детектора и малой величине сигнала. Рабочую область детектора, обедненную носителями, можно увеличить до десятых долей миллиметра, прикладывая к переходу обратное смещение, т.е. к n -области присоединяется плюс, а к р -области - минус источника напряжения. На рис. 5 показано соответствующее распределение зарядов при таком включении.

ППД отличаются высоким относительным энергетическим разрешением , достигающим ~ 0,1 %. Применяются для регистрации и спектрометрии заряженных частиц, нейтронов, гамма-квантов. Имеются следующие основные типы ППД:

Поверхностно-барьерные детекторы. На одну из поверхностей пластинки низкоомного кремния n -типа внедряются примесные атомы, создающие компенсирующие центры p -типа для увеличения удельного сопротивления. Затем получившийся высокоомный слой покрывают тонким слоем золота (≈ 0,002 мкм), в результате чего образуется p -слой толщиной ≈ 0,002 мкм и область с p–n -переходом. Мертвый слой такого детектора (область, предшествующая рабочей области (2 на рис. 5)), определяется суммой толщин слоя золота и p -слоя и не превышает обычно 0,005 мкм. Поверхностно-барьерные детекторы используются для регистрации и спектрометрии короткопробежных заряженных частиц (протоны, дейтоны, α -частицы, осколки деления). Отрицательный потенциал, подаваемый на металл, вызывает увеличение рабочей области.

Диффузионные детекторы. В детекторах этого типа, как и в поверхностно-барьерных, для увеличения удельного сопротивления диффузионным методом внедряют компенсирующие примеси. Рабочая область (p-n -переход) создается на поверхности, но толщина мертвого слоя достигает величины 1 ÷ 3 мкм, что исключает их использование для спектрометрии тяжелых заряженных частиц. В этих детекторах p-n переход может достигать 0,5 мм, если приложить обратное (по отношению к контактной разности потенциалов) напряжение. Используются, главным образом, для регистрации и спектрометрии электронов и γ -квантов небольших (< 100 кэВ) энергий.

Дрейфовые детекторы (детекторы p – i – n- типа). Толщина рабочей области ППД с p – n -переходом ограничена величиной удельного сопротивления, поэтому они непригодны для регистрации g -квантов и частиц с высокой энергией, сечение взаимодействия которых с рабочей областью детектора мала. Для получения больших объемов, обедненных носителями, применяется внедрение в примесный полупроводник p -типа ионов лития. Ионы Li (доноры) сравнительно легко диффундируют в Si и Ge, создавая твердые растворы, и компенсируют акцепторы в материале р -типа, что позволяет создавать протяженные области с проводимостью, близкой к собственной (i -типа).

Этот принцип лежит в основе изготовления германий-литиевых детекторов (Ge(Li)) с объемом рабочей области до ~ 100 см ³. Ограничение разрешения по энергии определяется величиной собственных шумов, возникающих в результате флуктуации токов утечки. Для уменьшения токов утечки Gе(Li) детекторы охлаждают до температуры жидкого азота (≈ -200°С). Хранить их также необходимо при низкой температуре, иначе происходит обратная диффузия лития из обедненного слоя. Ge(Li) детекторы широко применяются в g -спектрометриииз-за рекордно высокой разрешающей способности по энергии и достаточной эффективности.

Кремневые детекторы p – i – n- типа могут работать и храниться без охлаждения. Для улучшения энергетического разрешения часто охлаждаются до низких температур. Толщина рабочей области у них может иметь величину 1÷ 10 мм, что позволяет регистрировать электроны с такой энергией, при которой их пробег больше толщины рабочей области поверхностно-барьерных и диффузионных детекторов. Используются так же для регистрации мягкого рентгеновского излучения. Из-за большой толщины мертвого слоя они не пригодны для спектрометрии тяжелых заряженных частиц.

В настоящее время, в связи с развитием технологий очистки полупроводников от примесей, стало возможным и экономически доступным изготовление ППД из сверхчистого германия и кремния, проводимость которых близка к проводимости полупроводников i -типа. Такие ППД можно хранить без глубокого охлаждения, но для получения высокого энергетического разрешения их все равно необходимо охлаждать.

Дата добавления: 2015-07-08