Полупроводниковые детекторы

Частица, попавшая в детектор, вызывает в нем ионизацию атомов полупроводникового материала, т. е. образование пар электрон – дырка. Для образования одной пары необходимы энергетические затраты порядка нескольких электрон-вольт. Они примерно в 10 раз меньше, чем для ионизации газа, соответственно возрастает выходной сигнал. Чтобы избежать рекомбинации пары, эти заряды должны высвобождаться в зоне с сильным электрическим полем, которое обеспечит быстрое разделение и сбор носителей, например в зоне p-перехода (диода) с обратной поляризацией. Ширина этой зоны l d определяется выражением l d ≈ U ρ, где ρ – удельное сопротивление, U – приложенное обратное напряжение. Увеличение полезного объема детектора обеспечивается путем расширения обедненной зоны, что приводит к увеличению удельного сопротивления ρ вещества вблизи перехода и к поляризации перехода при действии значительного напряжения обратного знака, хотя и недостаточного для его пробоя. Кроме того, чтобы уменьшить потери энергии частицы в зоне вне p-nперехода, нужно сделать эту зону очень узкой. Диод с поверхностным барьером. Переход образуется в результате поверхностного окисления кремния n- типа, причем оксидный слой относится к p- типу. На него наносится тонкий золотой электрод (≈ 200 Å). При этом обедненная зона может простираться на всю глубину слоя кремния (≈ 1 мм) без какой-либо мертвой зоны как перед ней, так и после нее. Такой диод используется для детектирования α и β частиц. Диод из кремния или германия, легированного литием. Детектор этого типа изготавливают путем термодиффузии и миграции донорных атомов лития в электрическом поле в кремнии или германии pтипа при одновременной нейтрализации акцепторных примесей. Строгий контроль за процессом позволяет получить диод, содержащий три области: – область pтипа, в которой литий (n) с избытком компенсирует p- тип исходного полупроводника; – область iтипа собственной проводимости с высоким удельным сопротивлением, в которой литий в точности компенсирует исходный p-тип; – область p-типа, не модифицированную литием. Такой диод, содержащий три указанные области, называется диодом с pin-структурой. Германиевый диод следует использовать исключительно при низкой температуре (77 К), чтобы избежать осаждения лития. Кремниевый диод можно использовать вплоть до 300 К. Описанные диоды находят следующее применение: Si(Li) до 300 К – α и β частицы; Si (Li) и Ge (Li) при 77 К – рентгеновское и γ -излучение. Диод на основе германия высокой чистоты. Можно получить германий с очень низкой концентрацией примесей и, следовательно, с высоким удельным сопротивлением. Очень узкая (0, 4 мкм) область n-типа образуется имплантацией донорных ионов. Обедненная зона может занимать весь объем германия p-типа и простираться на глубину до нескольких сантиметров. Такой датчик пригоден для использования при комнатной температуре для детектирования рентгеновского и γ -излучения. Схема включения датчика показана на рис. 3.

Рис. 3. Схема включения датчика

К достоинствам полупроводниковых детекторов относятся малые размеры, прочность, линейность характеристики, высокое быстродействие (до 10^-9 с).