Типы полупроводниковых детекторов

По технологии изготовления ППД делятся на:

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

· поверхностно-барьерные;

· диффузионно-дрейфовые;

· и радиационные с p-i-n -переходом.

Рис. 5.14. Схема диффузионного детектора

Диффузионные детекторы. В диффузионных детекторах n-p -переход расположен вблизи поверхности кристалла, поэтому частице не надо проходить через толстый нечувствительный слой вещества. Схема диффузионного детектора показана на рис. 5.14. В качестве n- примеси в диффузных детекторах применяют фосфор, который наносят на поверхность кремния p -типа.

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. Они похожи на диффузные, но 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) из-за 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 γ -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 (Z _Cd = 48, Z _Te= 52 – по сравнению с Z _Ge= 32), их эффективность достаточно высока, особенно при измерениях мягкого γ - и рентгеновского излучений. Их разрешающая способность при комнатной температуре выше, чем у сцинтилляционных детекторов NaI(Tl), а при охлаждении детекторов CdZnTe и CdTe она может быть значительно улучшена: до 250 эВ при E _γ = 5, 9 кэВ и 700 эВ при E _γ = 59, 54 кэВ, т.е. почти как у Ge-детекторов.

Детекторы CdZnTe и CdTe без охлаждения используются в случаях, когда главным требованием являются 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.

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 γ -квантов. Германий имеет довольно высокий атомный номер Z = 32, и поэтому эффективное сечение взаимодействия γ -квантов велико (вероятность фотоэффекта пропорциональна Z ⁵, комптон-эффекта – Z, рождения пар – Z ²). Чтобы добиться наилучшего энергетического разрешения германиевые кристаллы во время эксперимента охлаждают до температуры жидкого азота (77 К). Энергетическое разрешение германиевых детекторов при регистрации γ -квантов достигает 0, 1 %, что в десятки раз выше, чем у сцинтилляционных детекторов. Временное разрешение лучших ППД достигает 10^–8–10^–9 с.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое детектор излучения? Какие физические процессы могут быть положены в основу детектора?

2. Какие типы ионизационных детекторов существуют?

3. В чем сущность ионизационного метода?

4. Зависимость амплитуды импульса от напряжения на счетчике. Укажите области работы газовых счетчиков различных типов.

5. При каком условии возникает ударная ионизация? Как можно определить коэффициент газового усиления?

6. Перечислите ионизационные камеры, их виды, области применения.

7. Пропорциональные счетчики. Опишите принцип работы и укажите особенности применения.

8. Каковы устройство и принцип работы счетчика Гейгера–Мюллера. В чем его отличие от пропорционального счетчика?

9. Самогасящиеся и несамогасящиеся счетчики. Опишите принцип их работы, а также преимущества и недостатки.

10. Что такое «мертвое время» счетчика и «время восстановления»?

11. Что такое сцинтилляция?

12. В чем преимущества и недостатки сцинтилляционных счетчиков?

13. Что такое конверсионная эффективность?

14. приведите примеры кристаллических сцинтилляторов и укажите области их применения.

15. Приведите блок-схему сцинтилляционного счетчика.