ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

Полупроводниковый поверхностно-баръерный детектор

1. Основные положения. Цель работы.

Полупроводниковые детекторы являются твердотельными аналогами ионизационных камер. Основное преимущество, которое они имеют перед другими типами детекторов, высокое энергетическое разрешение. Среди других достоинств полупроводниковых детекторов следует указать линейность в широком диапазоне энергий, малое время нарастания импульса, относительную простоту и небольшие размеры, а также нечувствительность к магнитным полям. Все эти моменты в настоящее время обеспечивают полупроводниковым детекторам ведущее место среди приборов, регистрирующих излучения.

Одной из разновидностей полупроводниковых детекторов являются поверхностно-барьерные детекторы (ПБД). В них р-n переход образуется окислением протравленной поверхности основного материала (чаще всего кремния n-типа) кислородом воздуха. На полученный таким образом поверхностный р-слой напыляют тонкий слой золота (0.03 - 0.1 мкм), служащий одновременно электродом и входным окном детектора. Поэтому ПБД используются для регистрации тяжелых заряженных частиц или электронов низких энергий (Е_е-100 кэВ).

Область р-n перехода, обедненная равновесными носителями зарядов, является чувствительной областью детектора. Неравновесные носители зарядов, образующиеся при прохождении частиц через р-n переход под действием электрического поля потенциального барьера собираются на электродах, формируя импульс тока детектора. Величина потенциального барьера р-n перехода  в кремниевых детекторах составляет приблизительно 0.5В, и соответствует минимальной толщине р-n перехода. Для увеличения чувствительной области детектора на ПБД подают обратное напряжение U₀, повышающее потенциальный барьер. В этом случае толщина чувствительной области d определяется соотношением:

(2.1)

где: æ - диэлектрическая проницаемость; е - заряд электрона; N - концентрация неосновных носителей.

Для большинства случаев практического применения можно пользоваться следующими выражениями

d_n=0,53(_n(+U₀))^1/2 и d_p=0,32(_n(+U₀))^1/2_, (2.2)

где d_n,d_p - толщина чувствительной области ПБД с электронной или дырочной проводимостью в микронах; _n, _p - удельное сопротивление материала ПБД с электронной или дырочной проводимостью в Омсм; +U₀ - приложенное к переходу напряжение в вольтах.

Зависимости (2.2) часто представляют в виде номограммы, отражающей взаимное изменение всех присутствующих в них параметров в больших пределах. С учетом того, что толщина чувствительной области однозначно определяет емкость ПБД, а также характеризует пробег R частиц определенной энергии, то в номограмму обычно вводят удельную емкость детектора и энергию различных частиц, имеющих такой пробег. Номограмма для определения параметров кремниевых р-n детекторов приведена на рис.2.3.

При использовании ПБД для измерения энергии частиц зависимость толщины чувствительной области от U₀ является заметным недостатком, так как при изменении U₀ меняется емкость детектора С_D, что в свою очередь приводит к неоднозначной связи амплитуды импульса U с величиной заряда Q, собранного на. электродах.

где

S - площадь чувствительной области ПБД; æ - диэлектрическая постоянная (æ_si=12), ε₀=8.854*10^-12 Ф/М - электрическая постоянная. Для исключения зависимости амплитуды импульса от величины емкости детектора при работе с ПБД используются зарядочувствительные предусилители, у которых заряд собирается на емкости обратной связи.

При выполнении спектрометрических измерений необходимо, чтобы пробег R регистрируемых частиц полностью укладывался в пределах чувствительной области детектора d, а сам детектор имел бы максимально высокое энергетическое разрешение. Для ПБД выполнение этих требований сводится к выбору такого рабочего напряжения, при котором наряду с достаточной толщиной чувствительной области (d>R) шумы детектора и измерительной аппаратуры минимальны .

В полупроводниковом детекторе и работающем вместе с ним усилителе основными источниками шумовых сигналов являются тепловые шумы сопротивления детектора , резисторов смещения и обратной связи, обратные токи детектора, флуктуации тока затвора и тока канала полевого транзистора. Шумы, обусловленные различными причинами, по разному зависят от напряжения U₀ и от величины входной емкости _, поэтому выбор рабочего напряжения детектора должен определяться минимальным уровнем суммарного шума системы детектор – усилитель.

Вклад теплового шума детектора в энергетическое разрешение измерительной установки часто является определяющим. Для кремниевого ПБД при комнатной температуре он может быть оценен по формуле

ΔЕ_½тепл≈3,3С^½, (2.3)

где С - выражается в пФ, а Е - в килоэлектронвольтах.

Целью настоящей работы является изучение характеристик кремниевого поверхностно-баръерного детектора, работающего в спектрометрическом режиме, а также освоение методик по определению его основных параметров.