Полупроводниковые детекторы
3. Полупроводниковые детекторы
. Полупроводниковые детекторы-твердотельные аналоги ионизационных камер. Они имеют большие преимущества перед другими типами детекторов, наиболее важным из которых являются высокое разрешение. Среди других достоинств полупроводниковых детекторов следует указать: линейность в широком диапозоне энергий, малое время нарастания импульса, относительную простоту и небольшие размеры, а также нечуствительность к магнитным полям.
Ионизирующая частица, попавшая в детектор, производит пары электрон – дырка, которые собираются электрическим полем, приложенным к электродах детектора. Величина соответствующего электрического импульса пропорциональна энергии, потерянной частицей или g - квантом в детекторе. Важно, чтобы детектор собрал все образовавшиеся в нём заряды. Процесс сбора заряда в полупроводниковом детекторе сложнее, чем в ионизационной камере.
Детекторы имеют ряд существенных преимуществ перед камерами:
1. 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 эВ), поэтому число образовавшихся пар в детекторе соответственно больше и оно меньше подвержено статическим флуктуациям.
2. Плотность материала полупроводникового детектора гораздо больше, чем плотность газов, заполняющих ионизационные камеры. Поэтому даже небольшие детекторы могут регистрировать частицы высоких энергий и g - кванты.
3. Время нарастания электрического импульса в детекторах значительно меньше, чем в ионизационных камерах, так как подвижность носителей в полупроводнике гораздо больше, чем подвижность ионов и электронов в камерах.
Однако полупроводниковые детекторы имеют сравнительно небольшое удельное сопротивление даже при температуре жидкого азота (77 К) Например, образцы кремния р- типа с концентрацией примесных атомов 1013 см –3 имеют удельное сопротивление 1400 Ом × см. Это приводит к большой силе тока уже при небольшом приложенном напряжении и регистрация слабых импульсов от ионизации затрудняется. Для повышения удельного сопротивления детекторов были разработаны различные методы уменьшения числа носителей, вызванных наличием примесей в Si и Ge.Эти методы основаны на создании в детекторе р-n-перехода с малым количестве носителей.
Диффузные детекторы. Рассмотрим распределение зарядов в полупроводнике, в котором имеются две граничащие области n- и р-типа. При тепловом равновесии электроны находятся в n-области, где они компенсируют пространственный заряд доноров, а дырки сосредоточены главным образом в р-области, где они нейтрализуют заряд акцепторов. Между р- и n-областями образуется двойной электрический слой, который создаёт электрический потенциал, препятствующий проникновению носителя из одной области в другую. Приложенное обратное напряжение смещает свободные носители из области перехода и там образуется слой, обеднённый носителями. В диффузных детекторах n – р- переход расположен вблизи от поверхности кристалла и частице не надо проходить через толстый нечувствительный слой вещества.
Рекомендуемые материалы
В качестве n- примеси в диффузных детекторах применяют фосфор, который наносят на поверхность кремния р-типа. Можно создавать n-р-переход путём диффузии р-материала (например В или Ga) в кристалле n- типа.
толщина обеднённого слоя зависит от удельного сопротивления материала, которое определяется количеством примесей. Благоприятным фактором при изготовлении детекторов является то, что процесс диффузии фосфора в кремнии хорошо изучен, и им легко управлять.
Поверхностно – барьерные детекторы похожи на диффузные. Они изготовляются следующим образом: на поверхности материала n- типа создаётся (обычно травлением) р-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 обеднённый носителями слой, толщина которого может быть доведена до нескольких миллиметров (в Si). Поверхностно – барьерные детекторы могут быть изготовлены на основе Si или Ge, но в случае Ge они используются только при температуре жидкого азота (Т= 77К), ввиду большой величины тока утечки при комнатной температуре. Детекторы на основе Si используется при Т=300К.
Дрейфовые детекторы. Толщина чувствительного слоя диффузных и поверхностно – барьерных детекторов ограничена удельным сопротивлением применяемых материалов. Однако для регистрации g- квантов и частиц с высокой энергией, ионизирующая способность которых мала, оба рассмотренные выше типа детекторов непригодны. Для получения больших объёмов, обеднённых 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 р - типа. Толщина обеднённого 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 большим объёмом чувствительного слоя. Эффективность таких детекторов для регистрации g- лучей сравнима с эффективностью сцинтилляционных кристаллов.
Следует отметить, что Ge(Li) детекторы с большим объёмом чувствительного слоя получены в виде цилиндров с центральной частью из материала р-типа. На внешние области цилиндра наносят литий и после дрейфа лития в глубь образца получают детектор с большим объёмом скомпенсированной области. Такие детекторы называются коаксиальными.
Дрейфовые, диффузные и поверхностно–барьерные детекторы являются основными типами полупроводниковых приборов, используемых для регистрации ядерных излучений. Кроме них существуют специальные типы детекторов, которые используются для решения отдельных задач (DЕ - детекторы, детекторы места попадания частиц, детекторы с внутренним усилением и т.п.). Существуют также другие методы компенсаций носителей, например, обеднённый носителями слой может быть получен путём облучения образца потоком нейтронов или g - лучей (радиационные детекторы).
Энергетическое разрешение. Прохождение ионизирующей частицы в чувствительном объёме детектора приводит к образованию большого числа электронно-дырочных пар. Допустим, что частица с энергией Е полностью потеряла свою энергию в чувствительном слое детектора. Тогда число образовавшихся пар будет равно N=E/Eи, где Еи – энергия ионизации. Если все носители будут собраны на соответствующих электродах, то величина импульса тока во внешней цепи будет пропорциональна энергии Е. Неполный сбор заряда приведёт к меньшим сигналам и ухудшит разрешающую способность вследствие неравномерности сбора. При использовании детекторов, охлаждённых до температуры жидкого азота, эффекты захвата весьма существенны, так как время, проведённое носителями в ловушке, увеличивается с понижением температуры. Рекомбинация важна на первой стадии процесса образования пар, когда электрон и дырка находится вблизи места их образования. Особенно заметен этот эффект при регистрации тяжёлых заряжённых частиц с высокой плотностью ионизации. Основное ограничение на разрешающую способность детектора накладывают флуктуации числа электронно-дырочных пар, образованных частицей или g-квантом. Если единственным механизмом потери энергии падающей частицы является образование пар электрон – дырка, то флуктуации числа N вообще не будет. Реальный случай находится между этими крайними вариантами. Статическая теория подобной ситуации в газовых ионизационных камерах была разработана Фано. В этих работах наблюдаемое среднеквадратичное отклонение выражается в виде NF, где F– фактор Фано. Для ионизационных камер F = 0,09; для кремниевых детекторов F= 0,10÷ 0,15; для германиевых – F = 0,16. Ввиду того, что на разрешающую способность детектора влияют другие факторы, приведённые значения F следует рассматривать как нижние пределы. Например, при регистрации тяжелых заряжённых частиц некоторая доля энергии частицы передаётся ядрам отдачи без образования электронно-дырочных пар. Этот эффект приводит к дополнительному уширению a-линии на ΔΕ= 6кэВ при энергии a-частиц Еa= 6 МэВ .
Шумы детекторов. В реальных установках весьма существенны шумы детектора, возникающие в результате флуктуаций тока утечки. Для того чтобы приблизить к статическому пределу, эти шумы надо свести к минимуму. Различают два вида токов утечки: объёмные и поверхностные. Объёмный ток возникает главным образом из-за тепловой генерации пар в объёме детектора. В германиевых детекторах этот ток настолько велик, что они могут использоваться только при низкой температуре. Величина тока утечки зависит от объёма детектора и может достигать нескольких микроампер.
Поверхностные токи возникают там, где на поверхность детектора подаётся высокое напряжение. В тех случаях, когда детектор мал и охлаждён, поверхностные токи играют основную роль и накладывают ограничения на величину высокого напряжения, прикладываемого к детектору. Поверхностный ток утечки можно уменьшить с помощью охранного кольца, разделяющего цепи сигнала и утечки. Для предохранения поверхности кристалла от загрязнения влаги детекторы часто помещают в вакуум.
Имеются ещё составляющие шума за счёт входных электрических цепей (в нагрузочном сопротивлении, в сопротивлении смещения, за счёт проводящих контактов и т. д.). Следует отметить, что в настоящее время найдены методы снижения шумов в детекторах до минимума и разрешающая способность лучших детекторов близка к статическому пределу.
Толщина окна детектора. Частица, входящая в детектор извне, должна сначала пройти нечувствительный слой вещества, который называется мёртвым слоем. В экспериментах с тяжёлыми заряжёнными частицами толщина этого слоя имеет большое значение, так как в мёртвом слое частица может потерять большую часть своей энергии. Если частицы будут падать в детектор под разными углами, то их потери будут неодинаковыми, что приведёт к ухудшению разрешения.
В диффузных детекторах окно соответствует глубине диффузного слоя, который в кремниевых детекторах составляет ~ 1 мкм. В поверхностно-барьерных детекторах окном является слой металла толщиной 50 мкг/см2 (~0,05 мкм), нанесённого на окисный слой пренебрежимой толщины. Поэтому такой тип детектора выгодно использовать в опытах с тяжёлыми заряжёнными частицами или электронами низких энергий (Ее£100 кэВ).
Бесплатная лекция: "9.4 Формы межгрупповых конфликтов" также доступна.
В дрейфовых детекторах толщина мёртвого слоя обычно велика ( ~100 мкм ) и они чаще используются для регистрации g-лучей и быстрых электронов ( Ее³100 кэВ ). Однако существуют специальные методы, позволяющие получить более тонкие мёртвые слои в дрейфовых детекторах. Например, осуществляют дрейф лития в материале р-типа, затем на противоположной поверхности кристалла образуют барьерный слой, что приводит к образованию мёртвого слоя толщиной 0,5 мкм. Такие детекторы используют для регистрации мягкого g-излучения рентгеновских лучей.
Регистрация a-частиц. Полупроводниковые детекторы a - частиц имеют большие преимущества перед сцинтилляционными кристаллами и ионизационными камерами, обычно применявшимся для регистрации a- частиц. Детекторы имеют более высокую разрешающую способность, достигающую 10…12 кэВ при Еa = МэВ. Лишь магнитные спектрометры обладают лучшей разрешающей способностью, однако эти приборы очень дороги, громоздки и имеют малую светосилу. Реальная разрешающая способность детекторов далека от статистически предельной (4 кэВ при Еa = 6 МэВ, F= 0,15 для Si). Одной из причин такого отставания является существования окна, в котором a- частицы теряют часть своей энергии. Этот эффект заметен даже для тонких (30 мкг/см2) окон. Кроме того, на разрешающую способность влияет рекомбинация носителей, которая особенно существенна ввиду большой плотности ионизации, создаваемой a- частицами
Регистрация электронов. Для регистрации электронов чаще используют поверхностно-барьерные и диффузные детекторы, этих типов имеют меньшую толщину мёртвого слоя по сравнению с дрейфовыми детекторами. Лишь для регистрации электронов с большой энергией выгоднее использовать дрейфовые детекторы в связи с тем, что толщина их чувствительного слоя больше. Например, для полной регистрации электронов с энергией 1 МэВ толщина чувствительного слоя в кремниевом детекторе должна быть не менее 1,5 мм. В диффузном детекторе такую толщину создать трудно, в то время как в Si(Li)- детекторе можно довести чувствительный слой до 1 см. В спектрометрии электронов предпочитают использовать детекторы, изготовленные на основе кремния (Z=14), так как для германиевых детекторов (Z=32) велик коэффициент обратного рассеяния. Для получения высокого энергетического разрешения детекторы необходимо охлаждать.
g-Спектрометрия. Падающие g-лучи непосредственно не образуют электронно-дырочные пары, они могут взаимодействовать с атомами кристалла с образованием фотоэлектронов или передавать энергию электронам кристалла в процессе комптоновского рассеяния. Вторичные электроны могут создавать электронно-дырочные пары, которые собираются электростатическим полем.
Использование полупроводниковых детекторов в -спектроскопии позволило существенно повысить точность измерения энергии -лучей, что весьма важно для установления энергетических уровней атомных ядер.
Точность в определении положения линии зависит от числа набранных импульсов и от знания формы линии. Небольшие отклонения от линейности обычно не превышают ~ 0,3% в пределах от 100 до 2000 кэВ и не оказывают существенного влияния на точность измерений, так как g- спектрометр может быть прокалиброван по многим линиям с хорошо известной энергией. Зависимость положения линии в спектре от энергии апроксимируется полиномом, обычно 3…6 степени.
