книги из ГПНТБ / Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами

ПРИКЛАДНАЯ

СПЕКТРОМЕТРИЯ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ

ДЕТЕКТОРАМИ

МОСКВА АТОМИЗДАТ 1974

УДК 543.42 + 539.1.074

(X—-

Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекто­ рами. М., Атомнздат. 1974 (Авт. Балдин С. А., Вартанов Н. А., Ерыхайлов Ю. В., Моаниесянц Л. М., Матвеев В. В., Сельдя-

ков Ю. П .), 320 с.

В книге изложены основные физические процессы регистра­ ции, методы и практические приемы спектрометрии ионизирую­ щих излучении с помощью полупроводниковых детекторов с электронно-дырочным переходом. Рассматриваются особенности применения полупроводниковых детекторов, их типы, основные параметры и характеристики. Приведены методы расчета и по­ строения электронных устройств, необходимых для передачи и первичной обработки электрических сигналов, поступающих с детекторов.

Детально изложены вопросы формирования аппаратурных спектров, факторы, влияющие на форму аппаратурной кривой, выбора типов детекторов, конструктивных элементов блоков де­

и особенности их применения при решении различных приклад­ ных задач в науке и технике.

Таблиц 31. Иллюстраций 119. Список литературы — 587 на­ званий.

„30407—030

Сергей Алексеевич Балдин, Николай Александрович Вартанов, Юрий Вадимович Ерыхайлов, Л еон Мосесович Иоаннесянц, Виктор Васильевич Матвеев, Юрий Павлович Сельдяков

Формат 60х90‘/|б Бумага типографская Лэ 2 Уел. печ. л. 20 Уч.-нзд. л. 21,43 Тираж 2530 экз. Зак. нзд. 7013Д Зак. тип. 536 Цена 2 р. 31 к.

Атомнздат, 103031, Москва, К-31, ул. Жданова. 5.

Московская типография .\? 6 Союзполиграфпрома при Государственном комитете Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии н книжной торговли. 109988, Москва, Ж-88, Южнопортовая ул., 24.

Глава 1

ОСОБЕННОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ

§ 1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, СОСТАВ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Полупроводниковые детекторы (ППД) по назначению и устройству относят к твердотельным детекторам ионизирующих излучений. Опыт разработки и применения полупроводниковых материалов для детектирования ионизирующих излучений по­ зволяет рассматривать вопрос о составе и классификации детек­ торов этого типа [1]. Однако при проведении систематизации, сознавая ее необходимость и важность, следует помнить, что твердотельные детекторы находятся еще на начальной стадии развития, и будущее может внести существенные коррективы как в состав, так и в классификацию детекторов.

Отдельные акты взаимодействия ионизирующих излучений с полупроводниковым материалом ППД в результате иониза­ ции создают в среде свободные носители электрического заряда, а также микронеоднородности (выбивание атомов из междо­

свободных носителей электричества — созданы полупроводнико­

электрическим полем па электродах детектора создается заряд, позволяющий с помощью последующего электронного устрой­ ства регистрировать акты взаимодействия ионизирующих излу­ чений с чувствительной областью детектора.

Накопление ммкронарушений может привести к качественно­ му изменению свойств полупроводникового материала, прояв­ ляющемуся в изменениях физических (а при больших потоках излучения — и химических) свойств полупроводникового мате­ риала: изменении времени жизни носителей, проводимости и т. п. Если в ППД, применяемых для регистрации отдельных ионизи­ рующих частиц, это приводит к выработке радиационного ре­ сурса, т. е. к непригодности ППД для дальнейшей эксплуата­ ции, то в некоторых случаях изменение свойств полупроводни­ кового материала может использоваться для определения ин­ тегральных характеристик потока излучения [2, 3].

5

Принимая во внимание отмеченные процессы, определим твердотельные полупроводниковые детекторы как детекторы для регистрации ионизирующего излучения, принцип действия кото­ рых основан: 1) на образовании в полупроводниковом материа­ ле неравновесного заряда, обусловленного процессом иониза­ ции, или 2) на изменении свойств (параметров) полупроводни­ кового материала.

Вработах [4, 5] приведены основные предпосылки класси­ фикации и систематизации изделий ядерпого приборостроения.

Всоответствии с положениями этих работ рассмотрим основные разновидности и модификации ППД, исходя из общего харак­ тера преобразования и способов получения информации о поле ионизирующего излучения.

Вспектрометрии применяют ППД, относящиеся к твердо­ тельным детекторам ионизирующих излучении, принцип дейст­ вия которых основан на ионизации в полупроводниковой среде. Соответственно в общей классификации детекторов ионизирую­ щих излучений ППД занимают место в группе ионизационных, твердотельных детекторов: в качестве регистрирующей среды используются полупроводниковые материалы (рис. 1.1).

По типу используемой проводимости, особенностям структу­ ры чувствительного слоя ионизационные полупроводниковые де­ текторы, в свою очередь, делят на ППД с электронно-дырочны­ ми переходами и ППД проводящего типа. К первому типу ППД относят полупроводниковые детекторы с электронно-дырочным переходом пли их разновидности, в которых возникающие под

действием ионизирующего излучения электроппо-дырочные пары собираются приложенным к электродам детектора напря­ жением.

К ППД проводящего типа будем относить выполненные на однородном по типу проводимости материале детекторы, в ко­ торых возникающие под действием ионизирующего излучения электронно-дырочные пары собираются приложенным к элек­ тродам напряжением.

Всвязи с тем что в спектрометрии ионизирующих излучений

внастоящее время наиболее широко используют лишь детекто­ ры первого типа, дальнейшее рассмотрение будет касаться лишь ППД с электронно-дырочным переходом.

Различают два основных типа электронно-дырочных ППД: р—п (или п—р )-типа и р—i—п (или п—i—р)-типа.

Среди ППД р —n-типа наибольшее распространение получи­ ли поверхностно-барьерные детекторы, чувствительная область которых создается поверхностным барьером, и диффузионные с чувствительной областью, созданной в результате диффузии со­ ответствующих примесей в полупроводниковый материал.

Среди ППД р—i—/i-типа наибольшее распространение по­ лучили диффузионно-дрейфовые детекторы, в которых чувстви­ тельная область создается в результате диффузии и дрейфа

6

ионов легирующей примеси в полупроводниковый материал. ППД часто систематизируют также по форме чувствительного слоя.

Первые ППД имели относительно невысокий коэффициент использования полупроводникового материала, поскольку чув-

Рнс. 1.1. Классификация детекторов.

ствнтельная область была образована относительно тонким электронно-дырочным переходом (рис. 1.2, а). Детекторы такого типа использовали ограниченно, в основном для исследования некоторых электрических свойств германия и кремния.

Потребовалось несколько лет для совершенствования техно­ логии изготовления детекторов, пока не появились первые об­ разцы, пригодные для широкого использования в технике физи­ ческого эксперимента. В работе [6] впервые сообщалось о па­ раметрах поверхностно-барьерных детекторов на основе кремния. Эти детекторы были быстро освоены, в основном из-за относительно несложной технологии изготовления. Такой детектор представляет собой пластинку кремния «-типа, на одной из поверхностей которой создается поверхностный барь­

материала, например [7]. Поскольку в создании перехода уча­

7

ствует напыляемый на специально подготовленную поверхность полупроводникового материала слой золота толщиной в не­ сколько десятков микрограммов на 1 см2, такие детекторы нередко называют золото-кремниевыми Ан—Si-ППД (рис. 1.2,6).

Несколько позднее появились детекторы диффузионного типа, изготавливаемые из кремния р-типа. Электронно-дырочный переход в таких ППД создается в результате диффузии соот­ ветствующей легирующей примеси в исходный полупроводнико­ вый материал, это приводит к перемене знака проводимости в

в

Рис. 1.2. Разновидности ППД:

<7 — п — /j-псреход; •б — золото-кремниевый поверлностно-барьериын ППД; в — пла­ нарный ППД; г — коаксиальный ППД.

слое активной диффузии примеси. В связи с тем что глубина диффузии составляет несколько десятых долей микрометра, злектронмо-дырочный переход создается близко к поверхности исходной пластинки кремния. По своим свойствам диффузи­ онные ППД весьма схожи с поверхностно-барьерными. У ППД обоих типов слой материала, расположенный между входным окном и чувствительной областью (так называемый «мертвый» слой), не превышает долей микрометра, а толщина чувстви­

тельной области пропорциональна величине)/ рU, где р — удель­ ное сопротивление полупроводникового материала, a U — при­ ложенное к ППД рабочее напряжение. Реальная толщина чув­ ствительной области для- «рядовых» детекторов составляет не­ сколько десятков микрометров, поэтому такие ППД в основном применяют для спектрометрии короткопробежных частиц с от­ носительно высоким удельным, энерговыделением (протоны,' дейтоиы, тритоны, а-частицы, быстрые ионы, осколки деления и т. п.). Попытки создания по указанной технологии детекто­ ров для спектрометрии длиннопробежиых частиц долгое время были безуспешными, так как не было материалов с высоким значением удельного сопротивления и возможности повысить рабочее напряжение ППД.

Совершенствование параметров кремния и технологии из­ готовления ППД привело к повышению рабочего напряжения. Введением охранных электродов (колец) исключили вклад шумов, обусловленных поверхностными токами утечки. Эти

8

обстоятельства обеспечили создание детекторов с толщиной чувствительной области несколько миллиметров, работающих при напряжениях до 3000 В [8]. При помощи таких детекторов стали проводить спектрометрию электронов с энергией до не­ скольких мегаэлектронвольт. Детекторы из германия, изготов­ ленные по упомянутой технологии, практического применения не получили из-за существенно более тонкой чувствительной области и необходимости работы при низкой температуре для снижения обратных токов.

Только при использовании метода компенсации полупровод­ никового материала литием [9] появилась возможность изго­ товлять детекторы с толщиной чувствительной области до 10— 15 мм. Сущность компенсации состоит в том, что в полупровод­ никовый материал вводят такое количество соответствующей легирующей примеси, которое «связывает» имеющиеся в мате­ риале носители заряда, т. е. происходит «компенсация» носи­ телей. В результате этого полупроводниковый материал приоб­ ретает удельное сопротивление, близкое к собственному. Мате­ риал с электронной или дырочной проводимостью обозначают п- или p-тип соответственно, материал с собственной (или близ­ кой к собственной) проводимостью — г-тип. Поэтому детекторы такого типа нередко обозначают в литературе п—i—р-ППД или р—i—/г-ППД.

Для компенсации германия и кремния p-типа в настоящее время широко используют литий. Связано это с тем, что литий в этих материалах находится в ионизированном состоянии и поэтому может дрейфовать при приложении внешнего электри­ ческого поля. По мере дрейфа лития в глубь материала проис­

торы. Первоначально такие детекторы изготовляли планарного типа, особенность их в том, что слои полупроводникового ма­ териала разного типа проводимости расположены параллельно друг другу (рис. 1.2, в). Такие детекторы нашли применение в основном для регистрации длиннопробежных частиц и у-кван- тов средних энергий.

Поскольку для эффективной регистрации у-квантов необ­ ходимо, чтобы объем чувствительной области был достаточно велик, а геометрические размеры по всем трем пространствен­ ным осям координат были бы соизмеримы и желательно рав­ нозначны, провели широкие исследования, в результате кото­

9