Полупроводниковые детекторы. Принцип работы

Полупроводниковый датчик ионизирующего излучения - детектор элементарных частиц, который использует полупроводники (обычно кремний или германий) для обнаружения заряженных частиц или фотонов высоких энергий (ионизирующего излучения). Принцип их действия аналогичен газоразрядным приборам, с тем отличием, что ионизируется объем полупроводника между двумя электродами. В простейшем случае это полупроводниковый диод. Для максимальной чувствительности такие детекторы имеют значительные размеры. Полупроводниковые детекторы нашли широкое применение в течение последних десятилетий, в частности, для гамма- и рентгеновской спектрометрии и как детекторы частиц. Большая плотность полупроводника увеличивает потери энергии детектируемой частицей, что увеличивает диапазон регистрируемых энергий. Меньшая энергия ионизации полупроводника улучшает энергетическое разрешение. Высокая подвижность носителей заряда улучшает временно́е разрешение.

Для уменьшения шумов и увеличения чувствительности полупроводниковые детекторы охлаждают до криогенных температур.

По технологии изготовления полупроводниковые детекторы делятся на:

· диффузионные с n-p или p-n переходом;

· поверхностно-барьерные;

· диффузионно-дрейфовые;

· и радиационные с p-i-n переходом.

Диффузионные детекторы. В диффузионных детекторах n-p-переход расположен вблизи от поверхности кристалла, поэтому частице не надо проходить через толстый нечувствительный слой вещества. В качестве n-примеси в диффузных детекторах применяют фосфор, который наносят на поверхность кремния p-типа.

Рис. 1. Схема диффузионного детектора.

Тонкий слой фосфора с избытком компенсирует p-проводимость и на расстоянии, равном толщине диффузии, образуется n-p-переход. Приложенное обратное смещение создает обеднённый слой толщиной ~1 мм. Можно создавать n-p-переход путем диффузии p-материала (например, В или Ga) в кристалле n-типа.

Поверхностно-барьерные детекторы похожи на диффузные. Они изготовляются следующим образом: на поверхности материала n-типа создается (обычно травлением) p-слой. Затем на поверхность наносят тонкий слой золота. Известно, что когда металл находится в контакте с полупроводником, то на их границе возникает электростатический барьер, препятствующий проникновению носителей из полупроводника в металл, и обратно. При приложении обратного напряжения к границе металл-проводник возникает обедненный носителями слой, толщина которого в Si может быть доведена до нескольких миллиметров. Поверхностно-барьерные детекторы могут быть изготовлены на основе Si или Ge, но в случае Ge они используются только при температуре жидкого азота (Т = 77 К) ввиду большой величины тока утечки при комнатной температуре. Детекторы на основе Si могут использоваться при Т= 300 К.

Поверхностно-барьерные и диффузионные детекторы используют для регистрации и спектрометрии тяжелых заряженных частиц и осколков деления.

Дрейфовые детекторы. Толщина чувствительного слоя диффузных и поверхностно-барьерных детекторов ограничена удельным сопротивлением применяемых материалов. Для регистрации γ-квантов и частиц с высокой энергией, ионизирующая способность которых мала, оба рассмотренные выше типа детекторов непригодны. Для получения больших объемов, обедненных носителями, Пелл в 1960 г. предложил способ компенсации примесных носителей ионами лития. Ионы лития, которые являются донорами, сравнительно легко диффундируют в Si и Ge и компенсируют акцепторы в материале p-типа. Толщина обедненного слоя в таком детекторе зависит от условий дрейфа (температуры, напряжения, приложенного к образцу и т. д.). В настоящее время получены большие кристаллы Ge(Li) с объемом чувствительного слоя ~200 см³ и более, что позволяет создавать детекторы для регистрации γ‑излучения с высокой эффективностью.

Дата добавления: 2015-07-15