Полупроводниковый детектор. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Полупроводниковый детектор - детектор частиц, осн. элементом к-рого является p-n-переход. Полупроводниковый детектор состоит из слоя полупроводника с нанесёнными на него с обеих сторон металлич. электродами, на к-рые подаётся напряжение. При попадании частицы или g-кванта в полупроводник в нём в результате ионизации образуются неравновесные носители заряда - электроны и дырки, к-рые под воздействием электрич. поля перемещаются к электродам. В результате в электрич. цепи, соединённой с полупроводниковым детектором, возникает импульс тока

где

- заряд, наводимый на электродах. Импульс тока преобразуется в импульс напряжения, амплитуда к-рого пропорциональна энерговыделению

частицы в пол.упроводнике.

Необходимым условием, обеспечивающим возможность измерения заряда DQ, возникающего в полупроводниковом детекторе под действием ионизующей частицы, является малая величина темнового тока

протекающего через полупроводниковый детектор в отсутствие ионизации. Это означает, что полупроводник должен обладать высоким уд. сопротивлением р.

Если флуктуации темнового тока

за время собирания носителей

сравнимы с числом носителей

созданных в объёме полупроводникового детектора частицей, то выделение полезного сигнала оказывается невозможным. Чем меньше

и чем с большей точностью необходимо измерить DQ, тем большим сопротивлением r должен обладать полупроводник. Для измерения энерговыделения

= 1 МэВ с точностью 1% необходимо

Ом·см.

Число носителей заряда

возникающих в полупроводниковом детекторе при энерговыделении

равно

где

- энергия, необходимая для образования пары электрон - дырка. Т. к. в полупроводниках

3 эВ, а в газах

30 эВ, то в полупроводниковом детекторе при том же

создаётся в 10 раз больше носителей заряда, чем в газовой ионизац. камере. В этом заключается одно из важных преимуществ полупроводникового детектора перед газовыми детекторами.

Время жизни носителей заряда

должно превышать время сбора Dt заряда на электроды (иначе сбор будет не полным). В полупроводниках, используемых для полупроводникового детектора, времена жизни свободных электронов и дырок

составляют неск. мс, что достаточно для полного сбора носителей. Скорость

сбора носителей или время их сбора Dt определяются подвижностью носителей заряда m и напряжённостью электрич. поля Е: В случае однородного электрич. поля где W - толщина чувствит. области. Материал для полупроводникового детектора не должен содержать большого кол-ва примесных центров, к-рые приводили бы к захвату носителей заряда, образующихся при ионизации.

В природе не существует веществ, к-рые имели бы значения

необходимые для полупроводникового детектора Диэлектрики обладают высоким р, но очень малым т, поэтому на их основе возможно создание детекторов лишь с тонкой чувствит. областью. Так, на основе алмазов созданы детекторы с толщиной рабочей области D

300 мкм. Полупроводники обладают нужными

однако их сопротивление r (даже при высокой степени очистки от примесей) оказывается ниже требуемого для обеспечения малого темнового тока (табл.).

Характеристики некоторых полупроводников, применяемых для полупроводниковых детекторов

Необходимые условия реализуются в области р - п-перехода, обеднённой носителями, где р на неск. порядков выше, чем вне перехода. Обычно толщина области р - n-перехода W, обеднённая носителями заряда,- чувствит. область полупроводникового детектора - мала (

см). Практич. значения такой р - га-переход не представляет, т. к. пробеги R заряж. частиц, как правило, существенно больше и в области р - n-перехода выделяется малая часть энергии частицы. Для увеличения W на р - n-переход подают обратное смещение U, к-рое увеличивает размер обеднённой области в соответствии с соотношением

где b - константа, характеризующая полупроводник. Так, для

b = 0,5, для

Ъ = 0,3, для

b=1, для

b = = 0,65. При этом через р - га-переход течёт темновой ток разл. происхождения: за счёт тепловой генерации электронов и дырок

где

- ширина запрещённой зоны в полупроводнике; ток диффузии

за счёт неравномерной концентрации носителей:

ток поверхностной утечки

Для уменьшения

необходимы материалы с достаточно большой

(в случае Ge - охлаждение). Для уменьшения

выбирают спец. геометрию полупроводникового детектора, используют обработку поверхности и разл. покрытия. Наиб. употребит. материалами для полупроводникового детектора являются Si и Ge.

Типы полупроводниковых детекторов. В зависимости от способа создания p - n-перехода различают поверхностно-барьерные, диффузионные и ионно-легированные полупроводниковые детекторы. В поверхностно-барьерных полупроводниковых детекторах p-n-переход создаётся нанесением на поверхность полупроводника металла испарением в вакууме (см. Шоттки барьер; рис. 1). При определ. значениях r и U можно обеспечить полное обеднение носителями и получить детекторы с чувствит. областью, равной всей толщине пластинки полупроводника, вплоть до 2-3 мм. Нечувствит. областями в таких детекторах являются переднее и заднее окна, суммарная толщина к-рых может быть доведена до долей мкм.

В диффузионных полупроводниковых детекторах переход создаётся диффузией донорных (или акцепторных) атомов в полупроводник с проводимостью р- или n-типов.

Толщина входного окна в диффузионных детекторах существенно больше, чем в поверхностно-барьерных, однако переход менее чувствителен к внеш. условиям.

В ионно-легированных полупроводниковых детекторах переход создаётся внедрением примесных атомов в кристалл при облучении его пучком ионов (см. Ионная имплантация). Обычно внедряется бор в полупроводник n-типа и фосфор в полупроводник р-типа (см. Легирование полупроводников ). Толщина входного окна в ионно-легированных полупроводниковых детекторов может достигать величины

1 мкм. Для обеспечения высоких характеристик ионно-легированных полупроводниковых детекторов необходим отжиг радиационных дефектов, к-рые возникают при внедрении ионов.

Существ. увеличение обеднённой области в полупроводниковых детекторах достигается компенсацией исходного материала до собственной (г) проводимости с помощью дрейфа ионов Li в поле r - re-перехода. На основе pin-диода созданы полупроводниковые детекторы с толщиной чувствит. области W = 10-15 мм и с объёмом V = 100-150

(рис. 2).

Рис. 2. Конфигурации германиевых детекторов, активированных Li (pin-структура): а - коаксиального, б - планарного.

Из-за относительно высокой подвижности ионов Li в Ge и Si при Т = 30

для литий-дрейфовых полупроводниковых детекторов необходима (постоянно) низкая те.мп-ра, для Ge(Li)-детекторов необходима темп-pa жидкого азота, для Si(Li)-детекторов достаточна Т = (-20)- (-10)

Разработаны методы очистки Si и Ge до состояния, близкого к собств. проводимости (для Ge разностная концентрация р- и п-примесей составляет На этой основе созданы т. н. HPGe-детекторы (high purity Ge), для к-рых нет необходимости охлаждения во время хранения, но необходимо охлаждение при работе с целью уменьшения шумов.

Преимущества полупроводниковых детекторов по сравнению с др. детекторами частиц: пропорциональность сигнала энерговыделению

частицы в веществе полупроводникового детектора в широком диапазоне

(неск. порядков), малая толщина входного окна, нечувствительность к магн. полю, высокое энергетич. разрешение за счёт малости

компактность и др. Однако реализация этих характеристик требует применения сложных электронных устройств. По назначению полупроводниковые детекторы можно подразделить на спектрометрические, временные, координатные.

Спектрометрические полупроводниковые детекторы. Энергетич. разрешение полупроводниковых детекторов определяется: статистич. флуктуациями в числе носителей заряда

потерями в собранном заряде за счёт рекомбинации носителей заряда, захвата их ловушками при движении к электродам

флуктуациями в потерях энергии во входном окне полупроводникового детектора d_ок; шумами электронных устройств

и шумами темнового тока

Полное разрешение полупроводниковых детекторов по энергии равно:

Компонента

связана с механизмом ионизац. потерь и определяет предельное разрешение. Полупроводниковый детектор обладает наилучшим разрешением среди детекторов ионизац. типа. Если вся энергия

частицы выделяется в объёме полупроводникового детектора, то энергетич. разрешение, определяемое статистич. флуктуациями в числе носителей,

= 2,36

где F - т. н. фактор Фано, учитывающий корреляцию в числе носителей. Теоре-тич. оценки дают F = 0,09-0,30 для Ge и 0,05-0,02 для Si. Эксперим. значения F для Ge и Si равны 0,13

0,02, при этом есть тенденция к уменьшению F с улучшением качества полупроводникового детектора и электронных устройств. Спектрометрия b-частиц (электронов и позитронов) с энергиями

1 МэВ, к-рые имеют пробеги в Si R

1 мм, осуществляется как поверхностно-барьерными полупроводниковыми детекторами, так и Si(Li)-детекторами. В области энергий

< 100 кэВ) применение полупроводниковых спектрометров предпочтительнее по сравнению с др. бета-спектрометрами (рис. 3). Особенностью регистрации электронов с энергиями

> 100 кэВ является появление в процессах взаимодействия электронов с веществом g-квантов, к-рые могут уйти из объёма полупроводникового детектора (тормозное излучение). Это приводит к неполному выделению энергии первичного электрона в полупроводниковом детекторе, к появлению "пьедестала" в регистрируемом спектре и к уменьшению тем самым эффективности регистрации по пику полного поглощения. С увеличением энергии электронов вклад этих процессов растёт, и при энергиях

10 МэВ спектрометрия электронов по пику полного поглощения теряет смысл, т. к. торможение электронов в объёме полупроводникового детектора приводит к образованию ливней.

Для больших

вплоть до нсск. сотен МэВ, используются т. н. ливневые спектрометры на основе слоистых систем, включающих слои тяжёлого вещества с высоким ат. номером Z (U, Pb), в к-рых происходит активное размножение электронов и g-кван-тов, и слои, состоящие из кремневых полупроводниковых детекторах (в виде мозаики для обеспечения большой площади), в к-рых регистрируются вторичные электроны и g-кванты. Энергетич. разрешение слоистых ливневых спектрометров

пропорционально

Спектрометрия л- и К-мезонов, протонов и лёгких ядер для небольших энергий, при к-рых пробеги частиц не превышают неск. мм, осуществляется с помощью Si-детекторов. Для малых

пз-за большой величины удельных ионизационных потерь

существенна потеря частицей энергии во входном окне полупроводникового детектора. Поэтому здесь предпочтительнее использовать поверхностно-барьерные кремниевые детекторы. Для

частиц с

=5 МэВ лучшее разрешение, постигнутое с использованием Si, составляет

что всё же в

раза превышает предельное разрешение, обусловленное статистпч. флуктуацпями в чисте носителей

Для идентификации частиц по массе используется телескоп из двух (или более) полупроводниковых детекторов - т. н. система (см. Телескоп счётчиков). Поскольку

амплитуда сигнала

детектора пропорциональна

то произведение амплитуд от

-детекторов оказывается пропорциональным массе m регистрируемой частицы.

Для спектрометрии длинопробежных частиц (с пробегами R > 5 мм в Si) применяют как одиночные "толстые" Si- и Ge-детекторы спец. конструкции, так и телескопы "тонких" полупроводниковых детекторов, имеющих суммарную толщину

Применение телескопов предпочтительнее перед одиночным "толстым" полупроводниковым детектором, т. к.: 1) возможна идентификация частицы по массе по измеренным

в отдельных полупроводниковых детекторов; 2) возможен отбор случаев, когда частица испытывает ядерное взаимодействие или рассеяние; 3) лучшие временные характеристики. Однако с увеличением энергии частицы (пробега Я) вероятность ядерного взаимодействия частицы с веществом полупроводникового детектора растёт, что приводит к появлению "пьедестала" в спектре амплитуд. Предельные энергии, когда ещё применяют телескопы полупроводниковых детекторов,

МэВ (для протонов).

Спектрометрия тяжёлых ядер и осколков деления ядер имеет ту особенность, что в этом случае высока уд. ионизация. Это приводит к более медленному разделению положит, и отрицат. зарядов и, следовательно к большой вероятности рекомбинации зарядов на пути частицы, из-за чего возникает ошибка в определении энергии. Степень рекомбинации существенно зависит от ориентации траектории (трека) относительно элек-трич. поля Е. Ошибка меньше для трека, расположенного перпендикулярно силовым линиям электрнч. поля. Для уменьшения эффекта рекомбинации необходимо увеличивать напряжение U на полупроводниковом детекторе. При спектрометрии тяжёлых ядер и осколков деления важно также иметь мин. толщину входного окна.

Спектрометрия нейтронов осуществляется либо по протонам отдачп (в этом случае перед полупроводниковым детектором располагают водородсодержащую мишень), либо путём регистрации продуктов ядерной реакции, происходящей в самом полупроводниковом детекторе или в тонком слое нейтронно-чувствит. материала, расположенного между двумя полупроводниковыми детекторами. В последнем случае обычно используются реакции:

Для спектрометрии рентгеновских и g-квантов при

используются пленарные Si-детекторы. Для

> 100 кэВ применяются коаксиальные Ge(Li)-детекторы, а также HPGe-детекторы (до

10 МэВ); Ge(Li)-детекторы обладают наилучшим разрешением по энергии:

= 1,7 кэВ для

= 1 МэВ (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость разрешающей способности от энергии g-квантов для С g-спектрометров разных типов.

С ростом

см. рис 5) эффективность регистрации, осуществляемой по пику полного поглощения, падает, т. к. растёт вклад комптоновского фона, что затрудняет выделение слабых линий при исследовании многолинейчатых g-спектров. В качестве гамма-спектрометров используются также полупроводниковые детекторы на основе CdTe, GaAs, НgТе. Благодаря большому Z такие детекторы имеют большую эффективность регистрации (чем Ge-детекторы), но худшее энергетич. разрешение (из-за большей величины

табл.). Эти полупроводниковые детекторы используются также для регистрации сцинтилляц. излучения вместо фотоэлектронного умножителя в комбинации сцинтил-лятор - фотодиод (см. Сцинтилляционный детектор). Для> 10 МэВ процесс поглощения энергии в полупроводниковом детекторе приобретает ливневый характер; вплоть до энергий порядка сотен МэВ для спектрометрии g-квантов используются ливневые спектрометры на основе полупроводниковых детекторов с радиаторами с большим

Полупроводниковые детекторы обладают хорошим временным разрешением, сравнимым в нек-рых случаях с разрешением сцин-тилляц. детекторов. Для планарных полупроводниковых детекторов с W = 1 мм время сбора носителей

определяющее временное разрешение, порядка 10 нc.

Координатные полупроводниковые детекторы изготовляются на основе Si. В т. н. резистивном полупроводниковом детекторе координата c прохождения частицы через полупроводниковые детекторы определяется по соотношению амплитуд сигналов (Е и Ex/l) снимаемых с разных сторон полупроводникового детектора, на одной стороне к-рого нанесена металлич. плёнка, обладающая высокой однородностью по толщине (сопротивлению) Обычно это Аu или Pd (рис. 6). Координатное разрешение составляет доли мм.

В т. н. стриповых (полосковых) детекторах один из электродов выполнен в виде изолиров. полосок. Стриповые полупроводниковые детекторы - одномерные координатные детекторы - обладают координатным разрешением

20 мкм определяемым шириной стрипа. В двумерных стрипо-вых полупроводниковых детекторах стрипы нанесены с обеих сторон полупроводникового детектора, но во взаимно перпендикулярных направлениях. Стриповые полупроводниковые детекторы применяются в качестве т. н. вершинных детекторов для выделения случаев рождения и распада короткоживущих

т. н. очарованных

и прелестных частиц и определения их времён жизни и др. характеристик (см. Комбинированные системы детекторов, Элементарные частицы). Дальнейшее развитие привело к созданию т. н. пиксельных детекторов с размером ячейки (пикселя) 30

30 мкм на основе рin-структуры. Для сокращения каналов электроники разработана полупроводниковая дрейфовая камера на основе pnp-структуры (рис. 7). Электрич. поле возрас-

тает с номером стрипа, а крайняя левая полоска служит анодом. На стрипы подаётся отрицат. потенциал - V по отношению к ср. плоскости, так что электроны стягиваются к ней и движутся к аноду. Дырки же будут собираться на электроды вблизи трека частицы. Координата определяется по времени дрейфа электронов от места их возникновения до анода. Координатное разрешение полупроводниковой дрейфовой камеры составляет 10

20 мкм.

Полупроводниковые детекторы с лавинным усилением заряда имеют внутр. усиление до

и обладают лучшими временными характеристиками, чем ПЗС-детекторы. Перспективны координатные полупроводниковые детекторы на основе лавинно-пролётных диодов с отрицательной обратной связью.

Радиационная стойкость полупроводникового детектора

Радиационная стойкость полупроводникового детектора зависит от вида, интенсивности и энергии излучения. Полупроводниковые детекторы могут устойчиво работать без ухудшения характеристик при облучении g-квантами дозой до

рад. На неск. порядков более чувствительны полупроводниковые детекторы к облучению тяжёлыми за-ряж. частицами, а также медленными нейтронами. Ухудшение энергетич. разрешения возникает при потоке протонов (с энергией 5-10 МэВ) порядка

быстрых нейтронов -

электронов (с энергией 2-5 МэВ) -

Литература по полупроводниковым детекторам

Знаете ли Вы, что любой разумный человек скажет, что не может быть улыбки без кота и дыма без огня, что-то там, в космосе, должно быть, теплое, излучающее ЭМ-волны, соответствующее температуре 2.7ºК. Действительно, наблюдаемое космическое микроволновое излучение (CMB) есть тепловое излучение частиц эфира, имеющих температуру 2.7ºK. Еще в начале ХХ века великие химики и физики Д. И. Менделеев и Вальтер Нернст предсказали, что такое излучение (температура) должно обнаруживаться в космосе. В 1933 году проф. Эрих Регенер из Штуттгарта с помощью стратосферных зондов измерил эту температуру. Его измерения дали 2.8ºK - практически точное современное значение. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.


Вещество (Т=300 К)	ность, г/см³	эВ	эВ	электроны	дырки	электроны	дырки
Si	2,33	1,12	3,61	1350	480	2·10^-5	2·10^-5
Ge (77 К)	5,33	0,79	2,98	3,6·10⁴	4,5·10⁴	2·10^-5	2·10^-5
CdTe	6,06	1,47	4,43	1000	80	10^-6	2·10^-7
GaAs	5,32	1,42	4,2	8·10³	450	10^-6	10^-8
						10^-9	10^-9
HgI₂	6,4	2, 13	4,2	100	4	10^-6	10^-6