6.3.2 Принцип действия полупроводниковых детекторов
Действие полупроводниковых детекторов аналогично действию ионизационных камер. Ионизирующая частица, попавшая в детектор, создает пары свободных носителей – электрон-дырка, которые собираются электрическим полем, приложенным к электродам детектора. Величина соответствующего электрического импульса пропорциональна энергии, потерянной частицей или γ-квантом в детекторе.
ППД детекторы имеют ряд существенных преимуществ перед ионизационными камерами:
энергия, необходимая для получения одной пары носителей в детекторе, гораздо меньше (2,96 эВ в Ge и 3,66 эВ в Si), чем в газах, заполняющих камеры (~30-36 эВ). Поэтому число образовавшихся пар в детекторе соответственно больше и оно меньше подвержено статистическим флуктуациям;
плотность материала и атомный номер среды полупроводникового детектора гораздо больше, чем плотность газов, заполняющих ионизационные камеры. Кристаллы кремния: плотность 2,3 г/см3, Z = 14 и германия: 5,3 г/см3, Z = 32;
время нарастания электрического импульса в ППД значительно меньше, чем в ионизационных камерах, так как подвижность носителей в полупроводнике гораздо больше, чем подвижность ионов и электронов в камерах.
В полупроводниковом детекторе в отсутствии высокого напряжения на границе p-n переходов, т.е. материалов с разным типом проводимости, благодаря диффузии носителей заряда из одной области в другую, образуются два слоя противоположных по знаку зарядов. Между p- и n-областями образуется двойной электрический слой, который создает электрический потенциал, препятствующий проникновению носителей из одной области в другую. Образование слоев зарядов приводит к появлению между ними особой области, для которой характерна малая концентрация не основных носителей заряда – обедненная область и наличие потенциального барьера (рисунок 6.12,а).
Если к p-n переходу приложить электрическое напряжение в обратном включении (минус к p-области, а плюс к n-области), то заряженные слои будут удаляться друг от друга, и обедненная область будет расширяться (рисунок 6.12,б). При определенном напряжении обедненная область может быть растянута на весь объем полупроводникового детектора.
Рис. 6.12 Схема образования обедненной области и ее увеличение при обратном включении напряжения.
При попадании заряженной частицы в такой детектор вдоль ее трека будут образовываться пары электрон-дырка за счет ионизации объема детектора (рисунок 6.13). В зоне проводимости появляются электроны, а в валентной зоне - дырки. Под действием напряжения, приложенного к нанесенным на поверхность чувствительной зоны электродам, возникает движение электронов и дырок и формируется импульс тока на выходе детектора, пропорциональный энергии зарегистрированной частицы.
Рис. 6.13 Принцип работы полупроводникового детектора с p-n переходом.
6.3.3 Типы полупроводниковых детекторов
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. Схема диффузионного детектора показана на рисунке 6.14. В качестве n-примеси в диффузных детекторах применяют фосфор, который наносят на поверхность кремния p-типа.
Рис. 6.14 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.
При комнатной температуре происходит обратная диффузия ионов лития к поверхности кристалла (процесс обратной диффузии), причем, необратимо ухудшается разрешение детекторов. По этой причине Ge(Li)-детекторы работают и хранятся при температуре жидкого азота. Их основное назначение – спектрометрия гамма-излучения. Процесс их эксплуатации осложнен постоянной потребностью в жидком азоте.
Использование новых технологий получения сверх чистых (HP – high pure) материалов на основе германия (HPGe) и кремния (HPSi), привело к созданию детекторов, которые могут находиться при комнатной температуре без деградации характеристик и охлаждаются только на время измерения. Характеристики таких детекторов несколько лучше, чем у предыдущего поколения детекторов того же типа.
В настоящее время разработаны технологии изготовления детекторов из CdTe, GaAs, CdZnTe, CdTe и других полупроводниковых материалов. Поскольку материал этих детекторов обладает более высоким Z, чем германиевые детекторы (ZCd = 48, ZTe = 52 – по сравнению с ZGe = 32), их эффективность достаточно высока, особенно при измерениях мягкого гамма- и рентгеновского излучений. Их разрешающая способность при комнатной температуре выше, чем у сцинтилляционных NaI(Tl)-детекторов, а при охлаждении CdZnTe и CdTe-детекторов она может быть значительно улучшена: до 250 эВ при Eγ = 5,9 кэВ и 700 эВ при Eγ = 59,54 кэВ, т.е. почти как у Ge-детекторов.
CdZnTe и CdTe-детекторы без охлаждения используются в случаях, когда главным требованием является миниатюрность и высокая регистрационная способность средства измерения (например, при измерениях отработавших ТВС ядерных реакторов).
Дрейфовые, диффузные и поверхностно-барьерные детекторы являются основными типами полупроводниковых приборов, используемых для регистрации ядерных излучений. Существуют также другие методы компенсации носителей, например, обедненный носителями слой может быть получен путем облучения образца потоком нейтронов или γ-лучей (радиационные детекторы).
На основе полупроводниковых детекторов созданы специальные типы детекторов, которые используются для решения отдельных задач (∆E-детекторы, позиционно-чувствительные детекторы, детекторы с внутренним усилением и т.п.).
Большие преимущества даёт применение полупроводниковых детекторов в спектрометрии гамма-квантов. Германий имеет довольно высокий атомный номер Z = 32 и поэтому эффективное сечение взаимодействия гамма-квантов велико (вероятность фотоэффекта пропорциональна Z5, Комптон-эффекта – Z, рождения пар – Z2). Чтобы добиться наилучшего энергетического разрешения германиевые кристаллы во время эксперимента охлаждают до температуры жидкого азота (77 К). Энергетическое разрешение германиевых детекторов при регистрации гамма-квантов достигает 0,1 %, что в десятки раз выше, чем у сцинтилляционных детекторов. Временное разрешение лучших полупроводниковых детекторов достигает 10-8-10-9 с.