Основные типы полупроводниковых детекторов

В зависимости от параметров и технологии изготовления полупроводниковые электронно-дырочные детекторы делятся на поверхностно-барьерные Au–Si и диффузионные с (р–n) и (n–р) ‒ переходами соответственно и диффузионно-дрейфовые (р‒i‒п) -типа.

Поверхностно-барьерные детекторы. р–n переход в детекторах этого типа образуется окислением протравленной поверхности основного материала кислородом воздуха. На образованный таким способом поверхностный р-слой напыляют тонкий слой металла, как правило золота, служащий электродом.

Толщина чувствительной к излучению области в поверхностно-барьерных детекторах не превышает (2-5) 10^‒2 см. Нерабочий (мертвый) слой золотой пленки на поверхности очень тонок, около 3×10^‒6 см. В таких детекторах толщину чувствительной области можно варьировать, изменяя напряжение смещения, что позволяет легко проводить дискриминацию заряженных частиц по пробегам и плотности ионизации.

Поверхностно-барьерные детекторы изготавливаются из кремния и могут работать при комнатной температуре без специального охлаждения. Используют их в основном для регистрации и спектрометрии заряженных частиц с небольшим пробегом: осколков деления, a-частиц и протонов небольших энергий.

Поверхностно-барьерные детекторы из-за малой толщины чувствительной области имеют большую емкость и, следовательно, невысокое энергетическое разрешение, поскольку энергетический эквивалент в основном емкостного шума составляет десятки килоэлектронвольт (кэВ).

Схема включения золото-кремниевого детектора представлена на рис. 3.14.

Поверхностно-барьерные кремниевые счетчики применяют также для регистрации быстрых и медленных нейтронов. Такой счетчик (рис. 3.15.) состоит, из кремниевого диска 1 с нанесенными на него двумя полукруговыми дисками из золота 2, к которым прикреплены контакты 3. Таким образом, две половинки представляют собой два счетчика, которые должны давать одинаковые показания при снятии фона. На одну из половинок наносится слой полиэтиленовой пленки 4, служащей источником протонов отдачи при облучении счетчика быстрыми нейтронами. При включении такого счетчика по дифференциальной схеме можно определить число протонов отдачи.

Для регистрации тепловых нейтронов в счетчике используется ядерная реакция ⁶Li (n, a) ³H. Этот счетчик состоит из двух разделенных кремниевых детекторов. На внутреннюю поверхность одного из них нанесен тонкий слой золота, а на другой –⁶LiF (рис. 3.16). Нейтроны регистрируются по схеме совпадения протонов с тритием. Импульсы от двух счетчиков суммируются, а суммарный импульс после усиления подается на многоканальный анализатор. Эффективность такого счетчика мала, так как она в значительной степени зависит от сечения реакции и толщины слоя ⁶LiF.

Детекторы с р‒i‒n ‒ переходом. Свойства лития, внедренного в германий или кремний, позволяют создавать достаточно большие области (толщиной большей 1 см) почти полной компенсации, а значит и области с проводимостью, близкой к собственной. Это связано как с исключительно высокой подвижностью ионов лития в четырехвалентных кристаллах, так и с низкой энергией его ионизации (0,033 эВ в Si и 0,0043 эВ в Ge). Например, подвижность, а следовательно, и коэффициент диффузии лития в германии в 10⁷ раз больше, чем у обычных доноров, так как благодаря своему малому радиусу ион лития может находиться не в узлах решетки, а в междоузлиях.

Компенсация акцепторных атомов в р-материале с помощью дрейфа лития производится следующим образом. Сначала литий напыляется на р-материал, затем температура поднимается примерно до 400 °С и литий диффундирует внутрь образца. Диффузия продолжается несколько минут, и литий диффундирует на глубину примерно 0,01 см. После этого к р–i–n-переходу прикладывается обратное смещение и ионы лития, которые несут положительный заряд, начинают двигаться от п-стороны перехода к р-стороне, где они компенсируют акцепторные атомы р-материала.

Кремниевые детекторы с р‒i ‒ n ‒ переходом, толщина чувстви­тельной области в которых достигает 0,5-1 см, нашли применение для регистрации тяжелых заряженных частиц средних энергий и электронов, пробег которых не укладывается в чувствительном слое поверхностно-барьерных и диффузионных детекторов. Их основное достоинство ‒ возможность работы без охлаждения. Энергетический эквивалент шума таких детекторов составляет несколько десятков килоэлектронвольт (кэВ).

Германиевые детекторы с р‒i‒n ‒ переходом получили очень широкое распространение в g-спектрометрии из-за высокой разрешающей способности и эффективности. Эффективность и форма линии такого гамма-детектора более явно зависит от объема чувствительной области, чем от ее ширины, поэтому дрейфовые германиевые детекторы принято характеризовать объемом чувствительной области. Плоские, или как их еще называют планарные, детекторы имеют объем до 10-15 см³. Детекторы коаксиального типа, при изготовлении которых дрейф лития ведется от поверхности цилиндрического образца к его оси, могут иметь объем до 100 см³.

Германиевые детекторы с р‒i‒n ‒ переходом должны работать и храниться при низкой температуре, обычно при температуре жидкого азота. Работать с ними при комнатной температуре нельзя из-за большого темнового тока, а хранить при низкой температуре необходимо, чтобы предотвратить необратимый процесс выхода лития из объема детектора. Выход лития на поверхность является следствием того, что в процессе дрейфа при высокой температуре в монокристалл германия внедрено лития больше, чем должно быть в равновесном растворе лития в германии, и при комнатной температуре скорость выпадения лития из раствора недопустимо велика.

Работа при низкой температуре в условиях малых темновых токов и малая емкость перехода обусловливает рекордно высокое энергетическое разрешение германиевых детекторов с р‒i‒n ‒ переходом.

Радиационные германиевые детекторы. В детекторах этого типа чувствительная область создается в результате компенсации доноров в исходном n-германии акцепторными уровнями радиационных дефектов, возникающих в нем под действием g-излучения. Эти дефекты стабильны при комнатных температурах. Отсюда вытекает главное преимущество таких детекторов перед дрейфовыми: их можно хранить при комнатной температуре. Энергетическое разрешение радиационных германиевых детекторов хуже, чем дрейфовых (собственный шум приблизительно в 2 раза выше), меньше и толщина чувствительной области, достигающая в лучшем случае 0,2-0,3 см.

1.7.3 Спектрометрия излучений

Необходимым условием для применения детекторов для измерения энергии частицы является условие, чтобы пробег частицы полностью укладывался в объеме детектора. Полупроводниковые детекторы имеют сравнительно небольшие размеры. Поэтому область применения ограничена средними и низкими энергиями. Особенно существенное преимущество полупроводниковые детекторы имеют при регистрации рентгеновского и g-излучения.

Для измерения частиц с коротким пробегом (a-частиц, осколков деления ядра, тяжелых ионов) применяют детекторы с р–n переходами. Для спектрометрии рентгеновского и g-излучения применяют детекторы с р–i–n ‒ структурой, имеющей значительно больший рабочий объем.

Рис. 3.17 ‒ Спектры γ-излучения, измеренные с помощью германиево-литиевого полупроводникового детектора (———) и сцинтилляционного детектора с кристаллом Csl (Na) (-----------)

Энергетическое разрешение полупроводниковых детекторов в области средних энергий (порядка сотен кэВ) превосходит энергетическое разрешение других детекторов (рис. 3.17). По эффективности регистрации рентгеновского и g-излучения они превосходят газовые на несколько порядков (при одном и том же рабочем объеме).

Дата добавления: 2014-01-14