3.3. Захват носителей заряда

Захват ловушками носителей заряда сильно ухудшает рабочие характеристики ПД, работающих при комнатной температуре. Как видно из рис. 2.19 горб в спектре CdZnTe детектора и хвост фотопика создаются электронами, образующимися, в основном, при фотоэлектрическом поглощении фотонов. Смещение амплитуды импульсов относительно фотопика происходит вследствие "плохого" транспорта носителей заряда, захватываемых ловушками. Комптоновское рассеяние фотонов также создает часть спектра ниже фотопика. Эти события можно было бы отсечь, задав узкое окно дискриминации вокруг фотопика. Однако, так как в непрерывную область ниже фотопика попадают из-за захвата и фотоэлектроны, то они не будут зарегистрированы, что приводит к уменьшению фотоэффективности детектора.

Захват зарядов происходит в местах дефектов кристаллической структере, включающих вакансии и атомы примесей. Ловушки имеют неравномерное распределение по объему кристалла. Их энергетические уровни расположены в промежутке между валентной зоной и зоной проводимости. Носители заряда могут захватываться на эти уровни, отдавая энергию в форме световых фотонов или вызывая вибрацию кристалла.

Взаимодействие фотонов с веществом происходит всем объеме детектора, и если захват носителей заряда является неравномерным по объему, то это приводит к ухудшению энергетического разрешения.

3.4. Теорема Рамо и индукция сигнала

Появление изолированного носителя заряда внутри ПД вызывает изменение потенциала на электродах детектора, даже если они находятся на удалении от заряда. Сигнальный электрод обычно поддерживается при фиксированном потенциале соединенным с ним усилителем. Появление в ПД носителей заряда приводит к образованию на этом электроде за счет связи с усилителем поверхностного заряда, называемым индуцированным сигналом. Электронные цепи считывания данных ПД, как правило, включают усилитель с интегрированием, который сохраняет заряд, эквивалентный поверхностному заряду на сигнальном электроде, на емкости обратной связи. Расчет величины индуцированного заряда достаточно сложен, но имеется упрощающая проблему теорема Рамо [5]. Согласно теореме индуцированный сигнал на электроде, создаваемый единичным носителем заряда, образовавшимся в точке x внутри полупроводника, равен

(2.13)

где e – единичный заряд; W(x) – весовой (взвешенный) потенциал в месте появления заряда.

Если носитель заряда движется, то на сигнальном электроде появляется индуцированный ток, величина которого изменяется в соответствии с S(x). Весовой потенциал вводится для упрощения вычислений и не имеет физического смысла. Если сигнальный электрод находится под единичным потенциалом, а другие электроды заземлены, то для плоского ПД толщиной L весовой потенциал равен W(x) = x/L. Таким образом, электрон, стартующий с катода и проходящий расстояние L, вкладывает в сигнал единичный заряд. Такой же вклад создает дырка, проходящая путь от анода к катоду. Если транспорт носителей заряда свободный, то заряд, созданный при взаимодействии фотона с плоским ПД, появляется как сигнал на электродах.