2 Принцип работы ппд проводящего типа.

Принцип работы детектора проводящего типа (однородного детектора) аналогичен принципу работы ИК, в которой чувствительным объёмом является твёрдое тело. Под действием излучения вПП образуются пары носителей заряда, которые под действием внешнего напряжения создают ток, пропорциональный мощности дозы излучения.

В общем виде зависимость выходного сигнала однородного полупроводникового детектора от мощности дозы выглядит следующим образом:

,

где I – сила тока через детектор, А;

P_ - мощность экспозиционной дозы, Кл/(кг·с);

w_в - средняя энергия ионообразования в воздухе, Дж;

_в - плотность воздуха, г/см³;

S - площадь поперечного сечения детектора, м²;

_nz - линейный коэффициент передачи энергии для полупроводника, м^-1;

w - средняя энергия образования пары носителей "электрон-дырка", Дж;

_nв - линейный коэффициент передачи энергии для воздуха, м^-1;

_z - линейный коэффициент ослабления для полупроводника, м^-1;

h - высота детектора, м;

_n,_p - среднее время жизни электронов и дырок соответственно, с;

k_n,k_p - подвижность электронов и дырок соответственно, м²/(В·с);

U - приложенное напряжение, В.

3 Принцип работы ппд с p-n переходом.

Для уменьшения проводимости ППД используют электронно-дырочный переход (p-n переход). Его получают путём введения акцепторных примесей в ПП n – типа или донорных примесей в ПП р - типа.

Важными характеристиками детектора являются ширина и ёмкость перехода.

d₀ = 10^-9· (U + U_к)

 – удельное сопротивление полупроводника , Ом·см;

U – напряжение источника питания, В;

U_к – контактная разность потенциалов (напряжение, создаваемое полем p-n-перехода), В.

Величина U_к обычно равна 0,5…0,7 В.

Здесь С_д – емкость перехода, пФ;

S – площадь контакта областей с p- и n-проводимостью, см²;

d₀ – толщина слоя p-n-перехода, см;

 - диэлектрическая проницаемость полупроводника (безразмерная величина; для кремния равна 12).

Ионизирующая частица за счёт потери энергии создаёт в чувствительной области пары электрон – дырка, эти пары разносятся и создают во внешней цепи ток. Измеряя ток измеряют мощность дозы или плотность потока частиц.

Чувствительность в импульсном режиме

;

Из формулы видно, что чувствительность зависит от энергии, большая ЭЗЧ - нужен выравнивающий фильтр.

Схемы включения полупроводниковых детекторов.

Главный недостаток полупроводниковых детекторов – малая амплитуда импульса (доли мВ), а нужны единицы (В) для работы микросхемы.

Основные типы  полупроводниковых   детекторов 

По методам образования переходов ППД подразделяют на поверхностно-барьерные, диффузионные детекторы p–i–n-типа, называемые также дрейфовыми, и детекторы на основе очень чистого германия – HPGe-детекторы.

В поверхностно-барьерном детекторе n–p-переход образуется окислением кислородом поверхности n-кремния с последующим нанесением тонкого слоя золота на образованный таким способом поверхностный p-слой (рис.10). Толщина рабочей области таких детекторов не превышает 0,20,5 мм, поэтому они используются в основном для регистрации и спектрометрии тяжёлых частиц при энергетическом разрешении единицы кэВ.

В диффузионных детекторах переход получают путём компенсации примесной p-проводимости кремния диффузией в него донорных атомов (обычно фосфора). По характеристикам и области применения они близки к поверхностно-барьерным детекторам и также работают при комнатной температуре.

Особенно большой объём чувствительной области имеют детекторы с p–i–n-переходом (точнее n⁺–p–p⁺, знак + означает сильное легирование), полученным с помощью дрейфа ионов лития. Ионы лития благодаря своим малым размерам легко диффундируют внутрь кремния и германия, располагаясь не в узлах решётки, а в междуузлиях. Коэффициент диффузии лития в германий, например, в 10⁷ раз больше, чем у обычных доноров. На поверхность p-полупроводника напыляется литий, который при нагревании до температуры около 400^оС диффундирует на глубину примерно 0,1 мм, образуя тонкий высоколегированный n⁺-слой. Затем к этому p–n-переходу прикладывается напряжение (плюс к n-слою), под действием которого происходит управляемая диффузия ионов лития в p-полупроводник до тех пор, пока количество ионов лития не станет точно равным количеству акцепторных атомов (это обычно бор). Противоположная поверхность легируется атомами бора с энергией 10 кэВ, в результате чего образуется тонкий p⁺-слой с высокой проводимостью. Поверхностные p⁺– и n⁺–слои служат электродами. Между ними располагается чувствительная область толщиной до 1 см полностью скомпенсированного полупроводника, удельное сопротивление которого равно сопротивлению чистого кристалла. Кремниевые детекторы могут работать без охлаждения, при этом энергетический эквивалент шума составляет несколько десятков кэВ.

Детекторы с p–i–n-переходом из особо чистого германия. Технология изготовления HPGe-детекторов подобна технологии изготовления Li-дрейфовых детекторов, исключая стадию дрейфа Li вглубь p-кристалла. Здесь между поверхностными n⁺- и p⁺-слоями – электродами находится не скомпенсированный литием германий, а очень чистый германий с концентрацией примесей около 10¹⁰ см^-3.

В отличие от  полупроводниковых   детекторов  из кремния германиевые детекторы необходимо эксплуатировать при низкой температуре. Это связано с тем, что ширина запрещенной зоны ЕBgB германия заметно меньше, чем у кремния (0,66 эВ у германия и 1,09 эВ у кремния).